Способ определения характеристик гидроакустических антенн Советский патент 1992 года по МПК G01S7/66 

Изобретение относится к технической акустике и может быть использовано для измерения характеристик и параметров гидроакустических антенн и преобразователей в условиях открытых водоемов и бассейнов.

В настоящее время известен ряд способов определения характеристик антенн заключающихся в измерении распределений компонент поля в ближней зоне антенны, пересчете посл еднё го в з вуков 0е поле в дальней зоне антенны по тем или ин JM формулам и вычислении характеристик антенны.

Для конкретных антенн эти спо:обы ос- йФЁганьГНЗ йзмерШи1Гграспр еделенйй амплитуды и фазы компонент поля вблизи антенны по поверхности измерений, как правило, повторяющей форму антенны и имеющей правильную форму, например, по поверхности сферы, цилиндра или плоскости, и вычислении поля антенны в дальней зоне по той или иной формуле.

Прототипом заявленного изобретения является метод, основанный на измерении распределений амплитуды и фазы давления звукового поля в ближней зоне антенны по поверхности измерений, повторяющей форму антенны и имеющей правильную форму, например, по поверхности сферы или цилиндра и вычислении поля антенны в дальней зоне по приближенной формуле

ф((j KR)(1 +cos/3)ds, где s - поверхность измерений, имеющая правильную форму, находящаяся вблизи антенны и повторяющая форму антенны;

К 2 я/А- волновое число;

А- длина волны;

P(s) A(s exP{jQ(s)}

A(s) - измеренные значения звукового давления в точках поверхности s;

U(s) - измеренные значения фазы звукового давления в точках поверхности s;

R - расстояние от точки на поверхности s до точки, в которой расчитывается поле (допускается, что R настолько велико, что R const N);

/ -угол между нормалью к поверхности s и прямой, соединяющей точку на поверх- нос™ s и точку, задаваемую радиус-вектором R, в которой расчитывается поле;

ds - площадь элемента поверхности s (полный дифференциал).

Основным недостатком способа прототипа и других известных способов определения характеристик гидроакустических антенн на основе измерений поля в ближней зоне, является низкая точность, обусловленная несовпадением поверхности измерений s с истинной поверхностью фазового фронта, проявляющаяся, например, в несоответствии уровня рассчитанных и истинных боковых лепестков характеристики направленности.

Цель изобретения - повышение точности.

Поставленная цель достигается тем, что в способе определения характеристик гидроакустических антенн, заключающемся в измерении распределения амплитуды и фазы давления звукового поля в ближней зоне антенны, пересчете последнего в звуковое поле в дальней зоне антенны и вычислении

характеристик антенны в дальней зоне, амплитуду давления звукового поля в ближней зоне антенны измеряют на поверхности равной фазы давления, которую устанавли- вают путем измерения распределения фазы давления по поверхности наблюдения, охватывающей антенну, и расчета координат поверхности равной фазы давления по формуле

0 Rs lRsl- l + W),

где PtsT- радиус-вектор точки на поверхности равной фазы давления (начало системы координат размещается в геометрическом 5 центр е антенны);

IRI - модуль радиус-вектора точки на поверхности наблюдения s;

Ег-единичный радиус-вектор, коллине- арный векторам Rsrn Rs;

0 f(Rs) - значение функции f(s) в точке, задаваемой радиус-вектором Rs;

f(s) ip(s) + 2яЫ- распределение значений фазы давления на поверхности наблюдения s, преобразование с учетом 5 набегов фазы на 2 п

тДз) - измеренное распределение фазы давления по поверхности наблюдения s;

N - целое число, учитывающее набеги фазы на величину 2 п 0 К-волновое число;

W - константа, равная минимальному удалению рассчитывемой поверхности s от начала координат,

а звуковое поле Ф(Н) в дальней зоне антен- 5 ны расчитывают по формуле

Ф(К)

(st)( dsr

где s,.- поверхность интегрирования, представляющая собой поверхность равной фазы давления;

A(s,p - измеренные значения амплитуды звукового давления в точках поверхности

Sf

.. ехр (j К R ) .г

U . - функция Грина;

производная от функции Грина по направлению внешней нормали к поверхности &,;

ds...- полный дифференциал поверхности s

На чертеже изображена схема реализации способа.

Способ заключается в следующем.

В зависимости от поставленной задачи и от технических возможностей существующего координатного оборудования выбирают исходную поверхность наблюдения s,

которая должна находиться вблизи антенны 1.

Перемещая гидрофон 2 по поверхности s-ь, измеряют его координаты относительно геометрического центра антенны 1, регистрируют фазу сигнала на его выходе блоком измерения 3 относительно сигнала возбуждения создаваемого генератором 4 и измеряют распределение фазы давления fi(s) (s ) по этой поверхности.

Затем расчитывают распределение значений фазы давления с учетом набегов на величину 2л в точках поверхности наблюдения

f(s) (з) + 2лЫ,

где N - целое число, учитывающее набег фазы на величину 2 ж.

Для выполнения такого расчета выполняют обход сечений поверхности s, например, по часовой стрелке; в начале обхода сечения полагают N 0; если при дальнейшем обходе встречается переброс фазы давления с нуля на 2 л от N принимает значение N 1, на следующем таком же перебросе увеличивают еще на единицу, и т.д., а если в распределении тДз) встречается переброс фазы со значения 2 я на нуль, то текущее значение N уменьшается на единицу.

Расчитывают координаты точек поверхности равной фазы давления (фазового фронта) по формуле .

Rsf ErtlRsI - f(jTCO + W,

где RS - радиус-вектор точки на поверхности фазового фронта;

|Rst - модуль радиус-вектора точки в которой измеряются фаза давления (на поверхности наблюдения s$;

Er единичный радиус-вектор, коллине- арный векторам RSt, и Rs;

К- волновое число;

f(Rs) значение функции f(s) в точке, задаваемой радиус-вектором Rs;

W - константа, равная минимальному удалению рассчитываемой поверхности s от рабочего центра антенны (начала координат) и удовлетворяющая условию

D W макс{ Rs },

где D - максимальный габаритный размер излучающей поверхности антенны;

макс{ Rs } - длина радиус-вектора точки на поверхности наблюдения s, максимально удаленной от начала координат.

На определенной таким образом поверхности фазового фронта, путем размещения измерительного гидрофона в ее точках, измеряют распределение амплитуды давления звукового поля A(sJ. Одновременно с

измерением распределения контролируют (измеряют) распределение фазы выходного сигнала гидрофона относительно сигнала возбуждения f2(sj V(sJ и убеждаются в том, что Vi(s+) const, т.е. равномерное. Если распределение фазы неравномерное, то расчитанную поверхность s.|. назначают в качестве поверхности наблюдения s, повторяют последовательно

описанные действия с измерением распределений, вычислениями и контролем и получают следующее приближение координат поверхности фазового фронта (опыт показывает, что в большинстве случаео при определении параметров реальных антенн второе и последующие приближения не требу ются).

Звуковое поле антенны в дальней зоне рассчитывают по формуле

Ф(к)(вт)«

(jKU-|)dst,

где A(s ) - измеренные значения амплитуды звукового давления в точках поверхности s

U

К R)

R

функция Грина,

А характеристики антенны определяют путем приведения их в соответствие характеристикам поля. Например, характеристику направленности определяют путем нормирования значений амплитуды давления в той или иной плоскости рассчитанного звукового поля антенны в дальней зоне к максимальному значению амплитуды давления в этой плоскости,

Формула изобретения Способ определения характеристик гидроакустических антенн, заключающийся в измерении распределения амплитуды и фазы давления звукового поля в ближней зоне антенны, пересчете последнего в звуковое поле в дальней зоне антенны и вычислении характеристик антенны в дальней зоне, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, амплитуду давления звукового поля в ближней зоне антенны измеряют на поверхности равной фазы давле- ния, которую устанавливают путем измерения распределения фазы давления по поверхности наблюдения, охватывающей антенну, и расчета координат поверхности равной фазы по формуле

) W.

где RSJ.- радиус-вектор точки на поверхности равной фазы давления (начало системы

координат размещается в геометрическом центое антенны);

Rs - модуль радиус-вектора точки на поверхности наблюдения s;

Ег- единичный радиус-вектор, коллине- арный векторам Rs и Rs;

f(Rs) - значение функции f(s) в точке, задаваемой радиус-вектором Rs;

f(s) ip (s) + 1л N - распределение значений фазы давления на поверхности наблюдения s, преобразованное с учетом набегов фазы на 2 п

ip(s} - измеренное распределение фазы давления по поверхности наблюдения s;

N - целое число, учитывающее набеги фазы на величину 2;

К - волновое число;

W - константа, равная минимальному удалению рассчитываемой поверхности s от начала координат;

а звуковое поле E(R) в дальней зоне антенны расчитывают по формуле

ф(к)(5Рх

(jKU-)dsr

где s - поверхность интегрирования, представляющая собой поверхность равной фа- зы давления;

A(s) - измеренные значения амплитуды звукового давления в точках поверхности s ;

U exp KR -функция Грина; к

dU/dn+- производная от функции Грина по направлению внешней нормали к поверхности s ;

dSo,- полный дифференциал поверхно- сти &,,

Изобретение относится к технической антенне и может быть использовано для измерения характеристик и параметров гидроакустических антенны в условиях открытия водоемов и бассейнов. Цель изобретения - повышение точности. Это достигается путем измерения распределения амплитуды давления звукового поля в ближней зоне антенны по поверхности, равной дозе давления (фазового фронта) и расчету звукового поля д дальней зоне антенны по соотношению Ф R 1 /Ал / / (A(st) j KL0 W З/UnDdSf,, где Sy- поверхность интегрирования , представляющая собой поверхность равной фазы давления; A(s) - измеренные значения амплитуды звукового давления в точках поверхности U exp{jKR}/R - функция Грина;3и/3 пх - производная функции Грина по направлению внешней нормали к поверхности s полный дифференциал поверхности s. Координаты поверхности фазового фронта устанавливают путем измерения распределения фазы давления по поверхности наблюдения, обхватывающей антенну, и расчета ее координат по формуле Rsjp Er(Rs) - + М, где RsT радиус-вектор точки поверхности равной фазы давления; IRSI - модуль радиус-вектора точки на поверхности s; Ег - еди- ничный р адиус-ве ктор, коллеинарный векторам Rs и RSt; f(Rs) значения функции f(s) в точке, задаваемой радиус-вектором Rs; f(s) /ф) + 2 л - распределение значений фазы давления на поверхности наблюдения s, преобразованное с учетом набегов фазы на 2п тр (s) - измеренное распределение фазы давления по поверхности наблюдения s; N - целое число, учитывающее набеги фазы на величину 2 п К -волновое число; М - константа, равная минимальному удалению рассчитываемой повер ности s«. от начала координат. Измерения распределения амплитуды давления производят при размещении измерительного преобразователя в точках поверхности фазового фронта, координаты которых рассчитаны, а характеристики антенны определяют путем приведения их в соответствие характеристикам поля. 1 ил. сл С J о о

мехаямесхая сЈ#я элех/яромая Ј$яль