Установка для градуировки гидроакустических приемников в камере малого объема с применением параметрического резонанса Российский патент 2024 года по МПК G01L27/00 G01D21/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к установкам измерения чувствительности электромеханических преобразователей в камере малого объема на базе параметрического резонанса стоячих волн.

Известна установка не стандартизованная установка УВГ-1 (Гордиенко В.А. Векторно-фазовые методы в акустике. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2007. - 480 с. - ISBN 978-5-9221-0864-5), взятая за прототип, предназначенная для градуировки векторных приемников и приемников звукового давления (гидрофонов) абсолютным методом в вертикально колеблющемся столбе жидкости. Установка включает в себя рабочую камеру в виде отрезка вертикальной трубы с установленным в ней гидрофоном обратной связи, усилители, узкополосные фильтры, фазометр, вольтметр, регулятор цепи обратной связи, генератор, цифровой программный блок, усилитель мощности, вибровозбудитель и ПЭВМ с платой аналогово-цифрового преобразователя (АЦП).

Основанием камеры служит жесткий поршень, возбуждение которого осуществляется с помощью электродинамического вибровозбудителя.

Для закрепления градуируемого векторного приемника или приемника звукового давления и перемещения его в вертикальном и горизонтальном направлениях служит координатное устройство.

Основными недостатками установки являются: ограничение рабочего пространства и неравномерность гидроакустического поля камеры малого объема за счет наличия в ней гидрофона обратной связи, и наличие нелинейных элементов в цепи генератора для формирования колебаний вибровозбудителя.

На устранение указанных недостатков направлено новое техническое решение Установка для градуировки гидроакустических приемников в камере малого объема с применением параметрического резонанса, технической задачей которой является увеличение рабочего пространства камеры малого объема, уменьшение неравномерности гидроакустического поля камеры малого объема и повышение точности формируемых колебаний в камере малого объема.

В качестве устройства измерения частоты колебаний вибровозбудителя возможно использовать акселерометр. Акселерометр является преобразователем механических колебаний в электрический сигнал пропорциональный виброускорению. Внутри акселерометра находится масса, прикрепленная к пружине или другому эластичному элементу. При изменении колебании объекта масса смещается, вызывая изменение некоторого физического параметра (например, сопротивление, емкости, индуктивности или оптического сигнала), который затем преобразуется в электрический сигнал, пропорциональный ускорению. По полученному сигналу измеряются частота и другие частотные характеристики. Частотный диапазон от 0 до 1/3 резонансной частоты акселерометра (обычно 30 кГц). они имеют линейную амплитудную чувствительность в рабочем диапазоне и стабильно работают длительное время.

Существует 2 способа внешнего воздействия на колебательную систему: силовое и параметрическое.

Классическим примером силового воздействия на LC-контур является включенный в цепь контура генератор. Он задает колебания на некоторой частоте р с возникновением вынужденных колебаний в LC-контуре.

Параметрическое воздействие характеризуется периодическим изменением какого-либо параметра системы, вследствие чего возникает реактивная энергия.

Для возбуждения резонансных колебаний в системе используется параметрический генератор. Это позволяет изолировать контур возбуждения излучателя от различных частотных составляющих, вызванных наличием нелинейных элементов в системе и повысить точность формируемых сигналов.

Принцип работы параметрического генератора заключается в том, что к основному колебательному контуру с помощью тиристоров подключается дополнительный конденсатор с номиналом втрое большим по сравнению с аналогичным элементом контура, что изменяет параметры этого контура в процессе каждого колебания в зависимости от наличия положительного управляющего напряжения на тиристорах, подаваемого на них в момент максимального тока и снимаемого при его нулевом значении. При этом длительность положительного импульса управляющего напряжения составляет для дополнительной ёмкости половину периода основной частоты колебаний контура, а длительность отрицательного импульса в обоих ёмкостях составляет четверть от этого периода для создания периодических изменений параметров контура в процессе каждого колебания и, способствуя тем самым возбуждению параметрического резонанса и генерации электрической мощности в устройстве. Источник колебаний полностью функционально независим от воздействия каких-либо сторонних сил или привлечения других видов энергии.

Реализация поставленной задачи позволяет достичь следующий суммарный технический результат:

- увеличение объёма рабочего пространства и уменьшение неравномерности гидроакустического поля в камере малого объёма;

- повышение точности формируемых колебаний в камере малого объёма за счёт использования параметрического генератора.

Указанный технический результат достигается тем, что заявленная Установка для градуировки гидроакустических приёмников в камере малого объёма с применением параметрического резонанса содержит камеру малого объёма вертикального типа, выполненная с возможностью размещения в ней градуируемого гидроакустического приёмника, и закрепления его на координатном устройстве, сигнал с которого через усилитель и фильтр нижних частот поступает на вольтметр и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), подключённый к ПЭВМ, которая управляет через цифровой программный блок параметрическим генератором, подключенным к вибровозбудителю и АЦП.

Принципиальным отличием заявленного изобретения от прототипа является то, что к нижнему торцу камеры малого объема дополнительно прикреплен акселерометр, подключенный к АЦП, который обеспечивает измерение частоты колебаний в камере малого объема.

Сущность изобретения поясняется чертежом:

Фиг. 1 Установки для градуировки гидроакустических приемников в камере малого объема с применением параметрического резонанса. Функциональная схема.

На фиг. 1 представлена функциональная схема Установки для градуировки гидроакустических приемников в камере малого объема с применением параметрического резонанса.

Установка включает в себя:

1. Камера малого объема.

2. Градуируемый гидроакустический приемник.

3. Усилитель.

4. Фильтр нижних частот (ФНЧ).

5. Вольтметр.

6. Аналогово-цифровой преобразователь (АЦП).

7. ПЭВМ.

8. Цифровой программный блок.

9. Параметрический генератор.

10. Вибровозбудитель.

11. Акселерометр.

12. Координатное устройство.

Все блоки соединены электрическими связями.

Градуируемый гидроакустический приемник 2, помещен в камеру малого объема 1 вертикального типа и закреплен на координатном устройстве 12.

Градуируемый гидроакустический приемник 2 через усилитель 3 и фильтр нижних частот 4 подключен к вольтметру 5 и АЦП 6. АЦП 6 подключен к ПЭВМ 7, которая управляет через цифровой программный блок 8 параметрическим генератором 9. Выходы параметрического генератора 9 подключены к АЦП 6 и вибровозбудителю 10, который формирует гидроакустическое поле в камере малого объема 1. Сигнал с акселерометра 11 поступает на ПЭВМ 7 через АЦП 6.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый гидроакустический приемник 2 помещается в камеру малого объема 1 и закрепляется на координатном устройстве 12.

С ПЭВМ 7 подаются сигнал запуска и сигнал параметров колебаний через цифровой программный блок 8 на параметрический генератор 9. Параметрический генератор 9 запускается и формирует высокостабильные электрические колебания, которые подаются на вибровозбудитель 10.

Вибровозбудитель 10 преобразовывает электрические колебания в механические, тем самым в камере малого объема 1 формирует колебания столба жидкости. Формируется гидроакустическое поле стоячей волны в камере малого объема 1. Акселерометр 11 измеряет виброускорение нижнего торца камеры малого объема 1. Сигнал с акселерометра 11 подается на АЦП 6 и далее на ПЭВМ 7, в которой рассчитывается гидроакустическое поле стоячей волны в камере малого объема 1.

Сигнал с градуируемого гидроакустического приемника 2 усиливается усилителем 3. Затем поступает на вход фильтра нижних частот 4. Далее он регистрируется вольтметром 5 и поступает на вход АЦП 6 для дальнейшей обработки на ПЭВМ 7.

Во время проведения цикла измерений осуществляется дискретное изменение частот с помощью цифрового программного блока 8, управляемого ПЭВМ 7.

С помощью ПЭВМ 7 определяются частота сигнала и уровень гармоник, проводятся расчеты характеристик гидроакустического поля стоячей волны в камере малого объема 1 из значения частоты колебания, зарегистрированного акселерометром 11 и высоты столба жидкости:

где р - амплитуда звукового давления;

u - колебательная скорость;

d - расстояние от поверхности воды;

- волновое сопротивление;

ρ - плотность воды;

с - скорость звука в воде;

k - волновое число, которое рассчитывается по формуле:

где λ - длина волны;

ƒ - частота колебаний, измеренная акселерометром.

Поместив градуируемый гидроакустический приемник 2 на глубину d и измерив его выходное напряжение U, получим соотношения для его чувствительности в единицах:

- эквивалентного звукового давления плоской бегущей волны:

- колебательного ускорения для приемника градиента давления (ПГД):

- колебательной скорости:

где: P_d=P_o⋅p(d) - рассчитанное абсолютное значение звукового давления на глубине d;

- рассчитанное абсолютное значение колебательной скорости на глубине d.

На низких частотах на градуируемый гидроакустический приемник 2 действует дополнительное акустическое давление, обусловленное колебанием гидростатического давления. Поэтому при градуировке гидроакустического приемника (гидрофона) следует вводить поправочный множитель

Абсолютное значение давления P_o на глубине d_o определяется единожды при метрологической аттестации установки по образцовому измерительному гидрофону первого разряда.

Технический результат изобретения заключается в создании нового устройства «Установка для градуировки гидроакустических приемников в камере малого объема с применением параметрического резонанса», которое позволяет увеличить рабочее пространство камеры малого объема, уменьшить неравномерность гидроакустического поля камеры малого объема и повысить точность формируемых колебаний в камере малого объема.

Заявленная установка промышленно применима, так как при ее изготовлении могут быть использованы широко распространенные устройства и компоненты, такие как: ПЭВМ, акселерометр, камера малого объема, вибровозбудитель, УНЧ, ФНЧ.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к установкам измерения чувствительности электромеханических преобразователей в камере малого объема на базе параметрического резонанса стоячих волн. Установка для градуировки гидроакустических приёмников в камере малого объёма с применением параметрического резонанса содержит камеру малого объёма вертикального типа, выполненную с возможностью размещения в ней градуируемого гидроакустического приёмника и закрепления его на координатном устройстве, сигнал с которого через усилитель и фильтр нижних частот поступает на вольтметр и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), подключённый к ПЭВМ. При этом к нижнему торцу камеры малого объема дополнительно прикреплен акселерометр, подключенный к АЦП, который обеспечивает измерение частоты колебаний в камере малого объема. Технический результат изобретения заключается в увеличении объема рабочего пространства, уменьшении неравномерности гидроакустического поля и повышении точности формирования колебаний в камере малого объема. 1 ил.

Установка для градуировки гидроакустических приемников в камере малого объема с применением параметрического резонанса, содержащая камеру малого объема вертикального типа, выполненную с возможностью размещения в ней градуируемого гидроакустического приемника и закрепления его на координатном устройстве, сигнал с которого через усилитель и фильтр нижних частот поступает на вольтметр и аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), подключенный к ПЭВМ, которая управляет через цифровой программный блок параметрическим генератором, подключенным к вибровозбудителю и АЦП, отличающаяся тем, что к нижнему торцу камеры малого объема дополнительно прикреплен акселерометр, подключенный к АЦП, который обеспечивает измерение частоты колебаний в камере малого объема.