Способ определения спектра акустического давления резонансного пьезоэлектрического излучателя в дальнем поле излучателя Советский патент 1989 года по МПК H04R29/00 

4ib СП

О9 О

ю

4

14536242

Изобретение относится к акугтичес- v( f

КИМ измерениям и может быть использо- Н, - к) - .импульсная переход вано для определения спектра акусти-

ческого давления, создаваемого не- порядка,

линейным резонансным пьезоэлектоичес- тт

КИМ излучателем, при сложном виде несущественной нелинейности

возбуждающего электрического сигнала Достаточной степенью

Цель изобретения - увеличение аппроксимировать сум- ности определения спектра за счет ,п ° «°«« «° « ™сла членов ряда. Ееучета нелинейных искажений ограничиться одним членом ряда, то

В некоторых случаях пьезоэлектри-« линейные искажения описать не удаческие преобразователи нельзя считать /Г/ « Т представ- линейными приборами и требуется учи-обычный интеграл свертки,

тывать создаваемые ими нелинейные |5 Р расчете линейных

искажения, хотя зти искажения-поЦепей, а kU ) является импульсной хауровню невелики. При этом пьезоэлек-Рактеристикой цепи (выходной сигнал

трический преобразователь можно опи- С воздействии на вход цепи

сать, как и электрическую цепь с0-ФУНКции). Обычно при описании иепомощью аппарата рядов Вольтерпа- Устройств ограничиваются

«, льтерра. 20двумя членами ряда (I). При этом

() ZI (( k(C; ,t-2,... cJK удается описать простейшие, но наи- -со более важные виды нелинейных жений.

хПи(г - &i),/ л I

(±.«.«, -.« (1) можно эапи u(t): :z™fc r LI ::г - °(t) vy K(.,ei.cO. (,о,.: JO,,..

u(Ja,)u(Jo),)e e aM,., (2)

оо

KuSl l C b «Таким Образом, .вьпсодной сигнал -

в-сЬо попяпк « ° 5 является суммой двух преобразований вй о порядка, обычная час- Фурье. Первое (одномерное) соответК(1со f« эффектам, второе MJW,, (двумерное) - нелинейньм.

UI ) , dtj - ,40 -г выходного сигнала имеет «« -« ядро второго порядка. следующий вид:

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть ис«: пользовано для определения спектра акустического давления, создаваемого, нелинейным резонансным пьезоэлектрическим излучателем при сложном виде йо«|- буждающего излучатель электрического сигнала. Целью изобретения является увеличение точности определения спектра. Пьезоэлектрический излучатель возбуждают на двух близких .частотах и измеряют амплитуду акустического давления, соответствующую разностной частоте. Причем частоты возбуждения меняют в пределах полосы пропускания резонансного пьезоэлектрического излучателя, сохраняя постоянной разность между ними, вычисляют по расчетной формуле спектр акустического давления, приведенного к единичному расстоянию от центра излучателя. 1 ил. (Л с

00

(j«) K(jw)u(jQ) lit ). J(f-ьа)Г)/ (f .C.J (f ;«jjda,,..

- После вьтисления ядра второго порядка K(jWo ) выходной сигнал SO w(jCO) k(j(o).u (jo)), имеет вид:о

™u.() u(j.).|p(.j,,jj,«,b

-(.)(f.C.(|.«,J,fj,0,,

и

обеспечить выполни

7:

МсоП-)|.

г„((о + 5,)

UWт

к г,

f/-,

(j - I

На практике и со выбирается в пределах 0,1-0,2.СЭ|, СОо частота резонанса пьезоэлектрического излучателя,

На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство состоит из генераторов 1 и 2 гармонических колебаний, выход генератора 2 гармонических колебаний «соединен с последовательно включенными сумматором 3, управляемьм переключателем 4 , усилителем 5 мощности и исследуемым резонансным пьезоэлектрическим излучателем 6, последова-

лителю 5 мощности, а приемник 7 акустического давления через управляемый переключатель 9 подключается к вольтметру 10 и фазометру 11. Изменяя с помо щью управляющей ЭВМ 12 частоту генератора 1 гармонических колебаний, измеряют с помощью вольтметра 10 и фазометра II соответственно амплитуду и фазу электрического сигнала на выходе приемника 7 акустического давления, результаты измерений записываются в память управляющей ЭВМ 12.-Затем возбуждают пьезоэлектрический излучатель 6 на двух близких частотах и измеряют амплитуду акустического давления, соответствующую разностной частоте, причем частоты возбуждения меняют в пределах полосы пропускания пьезоэлектрического излучателя 6. Для этого управляемые переключатели 4 и 9 переводят в другое положение, т.е. генератор I гармонических колебаний отключают

ляемого переключателя 9,

30

тельно соединенных приемника 7 акустического давления, фильтра 8, управ- 25 от усилителя 5 мощности и к последнему подключают выход сумматора 3, а приемник 7 акустического давления подключают к вольтметру 10 через фильтр 8, настроенный на разностную частоту.

Таким образом, дпухчастотный сигнал с выхода сумматора 3 поступает на вход усилителя.5 мощности и после усиления - на вход пьезоэлектрического излучателя 6, выходной сигнал приемника 7 акустического давления фильтруется на разностной частоте фильтром 8 и амплитуда отфильтрованного сигнала измеряется вольт- лп метром 10 и затем записывается в память управляющей ЭВМ 12. Частоты

выход последнего соединен с входами вольтметра 10 и фазометра 11, а выходы вольтметра 10 и фазометра 11 подключены соответственно к первому и второму входам управляющей ЭВМ 12, первый выход которой связан с входом устройства 13 вывода на печать. Выход генератора 1 гармонических колебаний подключен к второму входу сумматора 3, второму входу управляемого переключателя 4 и второму входу фазометра 11, выход приемника 7 акустического давления соединен с вторым входом управляемого переключателя 9, второй и третий выходы управляющей ЭВМ 12 подключены соответственно к входам генераторов 1 и 2 гармонических колебаний, четвертый выход управляющей ЭВМ 12 соединен с третьими входами управляемых переключате- лей 4 и 9.

Устройство работает следующим образом.

В дальней зоне пьезоэлектрического излучателя 6 располагают приемник 7 акустического давления, с помощью которого измеряют частотную зависимость комплексной амплитуды акустического давления при возбуждении излучателя 6 одночастотным сигналом. Для этого генератор 1 гармонических колебаний через управляемый переключатель 4 подключается к уси35

:45

50

55

возбуждения генераторов 1 и 2 гармонических колебаний меняются под управлением управляющей ЭВМ 12 так, чтобы разность между частотами оставалась неизменной. После измерений вычисляется спектр акустического давления. Вычисления проводятся управляющей ЭВМ 12, а их результаты отображаются на устройстве 13 вьшо- да на печать..

Формула изобретения

Способ определения спектра акустического давления резонансного пьезоэлектрического излучателя в дальнем поле излучателя путем помещения приемника акустического давления в

лителю 5 мощности, а приемник 7 акустического давления через управляемый переключатель 9 подключается к вольтметру 10 и фазометру 11. Изменяя с помо щью управляющей ЭВМ 12 частоту генератора 1 гармонических колебаний, измеряют с помощью вольтметра 10 и фазометра II соответственно амплитуду и фазу электрического сигнала на выходе приемника 7 акустического давления, результаты измерений записываются в память управляющей ЭВМ 12.-Затем возбуждают пьезоэлектрический излучатель 6 на двух близких частотах и измеряют амплитуду акустического давления, соответствующую разностной частоте, причем частоты возбуждения меняют в пределах полосы пропускания пьезоэлектрического излучателя 6. Для этого управляемые переключатели 4 и 9 переводят в другое положение, т.е. генератор I гармонических колебаний отключают

5

0

5 от усилителя 5 мощности и к последнему подключают выход сумматора 3, а приемник 7 акустического давления подключают к вольтметру 10 через фильтр 8, настроенный на разностную частоту.

озбуждения генераторов 1 и 2 гармонических колебаний меняются под управлением управляющей ЭВМ 12 так, тобы разность между частотами оставалась неизменной. После измерений вычисляется спектр акустического давления. Вычисления проводятся управляющей ЭВМ 12, а их результаты отображаются на устройстве 13 вьшо- да на печать..

Формула изобретения

Способ определения спектра акустического давления резонансного пьезоэлектрического излучателя в дальнем поле излучателя путем помещения приемника акустического давления в

Для вычисления спектра wCjo)) колебательной скорости по спектру -. u(jo) электрического сигнала, возбуж дающего преобразонатель, достаточно знать функции k(j(o) и г(со).

Комплексная амплитуда P(ja) акустического давления в точке дальнего поля (точке измерений) описывается выражением

P(jco) М---- .

(5)

Р (Jto) комплексная амплитуда. акустического давления, приведенная к единичному расстоянию от центра излучателя;

где и

Ы u(jw) ,(f (|-.coj}

Hf -K G)jK,j(« . wjj .(f -(,,) ( . «,)d(0,.

Для определения rjoj) на вход 25 „ двухчастотный электрический сиг- пьезоэлектрического излучателя пода- нал

U

I (t) Л, cos (СО + |)t +q), + A,jCOs(CO - 2)t ч-Чизмеряют амплитуду выходного сигнала на разностной частоте д« как функцию средней частоты со и вычисляют значение Гд(со) по следующей формуле

Г R(COj, О

г((0) : J ) СО.

К(«в),

rj-cj), ,

где R(CD)

. P,I(W)-RO

|ko(Jwl| АЛГЧПй 57

Алгоритм расчета спектра PO(JUJ) акустического давления, приведенного к единичному расстоянию, следующий:

СО ,

ko(j(o) (RpP(jco)e

i-R °)/А„.

1А5362А

R

- расстояние между центрами излучателя и приемника акустического давления;

с - скорость звука. Функция P(jco) хорошо аппроксимируется следующим выражением:

10

PftCjw) (j0),

(6)

где kp - вещественная величина, зависящая от вида пьезоэлектрического излучателя. Обозначая г (оэ) r(«)bk, , получим

PO(JW) K,(JW)-U,(JM), (7)

основании измерений функции Р. (и). СО,.

3, Вычисление спектра Р. (jeo) по формуле (7).

35 Величина R, с одной стороны, должна выбираться такой, чтобы обеспечить проведение измерений в дальнем поле излучателя, т.е. где D - наибольршй размер излучаю- 0 щей системы; - длина волны, соответствующая наименьшей частоте полосы пропускания пьезоэлектрического излучателя, т.е.сз„. С другой стороны, величина R должна выбираться 5 как можно меньше, чтобы не проявлялись эффекты, вызванные нелинейностью среды/Они, как правило, проявляются при R , поэтому измерения по предлагаемому способу рекомен- 0 дуется проводить, размещая приемник акустического давления ближе к границе области дальнего поля.

Выбор UCO должен быть таким, чтобы 5 обеспечить фильтрацию сигнала с частотой лона фоне сршьного сигнала

UCO АСО С частотами со ч- --, . « печить надежный уровень сигнала с раздальнюю зону пьезоэлектрического излучателя, измерения с его помооц частотной зависимости комплексной аьтлнтуды акустического давления при возбуждении пьезозлектрического излучателя одночастотньи сигналом с известной комплексной амплитудой электрического напряжения, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности определения спектра за счет-учета нелинейных искажений, дополнительно возПущдают пьезоэлектрический излучатель на

00

10

двух близких частотах и измер амплитуду акустического давле соответствующую разностной ча причем частоты возбуждения ме в пределах полосы пропускания нансного пьезозлектр ческого теля, сохраняя постоянной раз между ними, спектр акустическ давления, приведенного к един расстоянию от центра излучате числяют по следующей формуле:

PO(.JCO) KjjU3)Uo(jO),

Of -T где U,(JO) u{j(l))4|r.(f -Ц,)Ко J(f -W. )J

-,(f

0,) О) (f -Wo) (f ),;

где

К((0„), 0 ) R(w), 0ц.)йс0в R(WB)

),.coco

- тк;ш7|-jlSfS T

:O.

JJQ) R P(j6a),

/A,

- Q)

U(JW) - спектр напряжения электрического сигнала на входе пьезоэлектрического излучателя, соответствующий подлежащему определению спектру PJJ(JQ) акустического давления, приведенному к единичному расстоянию от центра излучателя; P(JQ) - измеренная частотная

зависимость комплексной амплитуды акустического давления при возбужде

двух близких частотах и измеряют амплитуду акустического давления, соответствующую разностной частоте, причем частоты возбуждения меняют в пределах полосы пропускания резонансного пьезозлектр ческого излучателя, сохраняя постоянной разность между ними, спектр акустического давления, приведенного к единичному расстоянию от центра излучателя, вычисляют по следующей формуле:

PO(.JCO) KjjU3)Uo(jO),

,)Ко J(f -W. )J

20

5

0

5

0

5

НИИ пьезозлектрического излучателя сигналом с комплексной амплитудой электрического напряжения;

(W) - измеренная зависимость от со амплитуды акустического давления на частоте До при возбуждении пьезоэлектрического излучателя на двух близких частотах с постоянной разностью между ни- ми, равной Лб), с полусуммой, равной СО , и с амплитудами электрических напряжений А, и АЗ ;

WH , со,- - соответственно нижняя и верхняя частота полосы пропускания пьезоэлектрического излучателя;

RO - расстояние между центром пьезоэлектрического излучателя и приемником акустического давления; с - скорость звука в среде.

OU

iO

vo

ем

Ю