Способ градуировки гидрофонов методом пьезоэлектрической компенсации в камере малого объема и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК H04R29/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к устройствам и способам градуировки гидрофонов.

Известен способ определения комплексной чувствительности гидрофона методом

взаимности в свободном поле, заключающийся в электрическом возбуждении обратимого преобразователя, измерении тока обратимого преобразователя и напряжения гидрофона, электрическом возбуждении излучателя и гидрофона, расчете комплексной

чувствительности по результатам измерений.

Известно устройство определения комплексной чувствительности гидрофона методом взаимности в свободном поле, содержащее обратимый преобразователь, прибор для измерения тока обратимого преобразователя и напряжений, излучатель, гидрофон, предварительные усилители, генератор, усилитель мощности, вычислительное устройство, коммутатор и согласующие устройства.

Однако известные способ и устройство позволяют производить градуировку гидрофона только на частотах свыше 3 кГц.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ градуировки гидрофонов, реализующий метод пьезоэлектрической компенсации в камере малого обьема, заключающийся в одновременном электрическом возбуждении нуль-органа и излучателя, фиксации минимального напряжения на нуль-ин- дикаторе, подборе амплитуды и фазы сигнала, подаваемого на излучатель для обеспечения условия компенсации, измерении напряжения компенсации на нуль-органе, измерении напряжения на гидрофоне в момент компенсации, расчете чувствительности гидрофона по следующей формуле:

где Ur - напряжение, измеряемое на выходе гидрофона в момент компенсации, UK напряжение компенсации, Мк - константа компенсационного преобразователя, определяемая гидростатическим методом на частоте 0,2 Гц.

Поддерживая на нуль-органе постоянное напряжение компенсации, измеряют значение напряжения на гидрофоне на каждой частоте частотного диапазона.

Известно устройство для градуировки гидрофонов по методу пьезоэлектрической компенсации в камере малого объема, включающее нуль-орган, нуль-индикатор, излучатель в камере малого объема и гидрофон, а также предварительный усилитель, последовательно соединенные усилитель мощности, аттенюатор и по второму выходу фазовращатель, к входу которого подключен задающий генератор; предварительный усилитель, переключатель, к первому и второму входам которого подключены гидрофон и нуль-орган соответственно, аналого-цифровой преобразователь и устройство управления и вычисления, соединенное управляющей шиной с переключателем, аналого-цифровым преобразователем, генератором, фазовращателем, аттенюатором.

Кроме того, излучатель подключен к выходу усилителя мощности, а нуль-индикатор - к входу второго предварительного усилителя и далее к аналого-цифровому преобразователю. Нуль-орган подключен также к

первому выходу фазовращателя. В качестве аналого-цифрового преобразователя используется осциллограф С9-8. В качестве задающего генератора и фазовращателя используется генератор Г6-33. Устройство управления и вычисления реализовано с помощью диалогового вычислительного комплекса. Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что они не обеспечивают высокого быстродействия

процесса градуировки из-за наличия операций подбора амплитуды и фазы сигнала, подаваемого на излучатель и отсутствием возможности определения комплексных значений чувствительности не только по напряжению, но и по заряду, а также комплексного значения выходного импеданса гидрофона, что значительно снижает информативность, а значит и качество градуировки.

Целью изобретения является повышение быстродействия путем исключения операций подбора и расширение информативности.

Поставленная цель достигается тем,

что в способе градуировки гидрофонов, реализующем метод пьезоэлектрической компенсации в камере малого объема, заключающемся в том, что одновременно электрически возбуждают нуль-орган фиксируемым напряжением и излучатель, изме- ряют напряжение холостого хода на гидрофоне и рассчитывают чувствительность гидрофона по напряжению согласно изобретению, предварительно дополнительно электрически возбуждают нуль-орган фиксируемым напряжением, измеряют

комплексное значение амплитуды сигнала

на нуль-индикаторе, снимают напряжение

возбуждения и дополнительно электрически возбуждают излучатель напряжением, измеряют комплексное значение амплитуды сигнала на нуль-индикаторе и рассчитывают комплексное значение отношения сигналов «на нуль-индикаторе, кроме того,

величину напряжения возбуждения излучателя при одновременном возбуждении нуль-органа выбирают равной первоначальной величине напряжения, умноженной на величину j а , а также после измерения напряжения холостого хода на гидрофоне, измеряют его ток короткого замыкания, а при расчете чувствительности по напряжению рассчитывают комплексное ее значение по формуле:

Ur

Мк U,

где Мк - константа компенсационного преобразователя,

Ur - комплексное значение напряжения на гидрофоне,

UHO - комплексное значение напряжения на нуль-органе,

дополнительно рассчитывают комплексное значение чувствительности по заряду о соответствии с формулой:

Mho

27Tf Мк U

но

где г - комплексное значение тока короткого замыкания гидрофона,

f- частота градуировки, дополнительно рассчитывают комплексное значение выходного импеданса гидрофона в соответствии с формулой:

4 Ur Zr

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для градуировки гидрофонов по методу пьезоэлектрической компенсации в камере малого объема, включающее нуль-орган, нуль-индикатор, излучатель в камере малого объема и гидрофон, а также предварительный усилитель, последовательно соединенные по второму выходу фа- зовращатель, аттенюатор и усилитель мощности, кроме того задающий генератор, подключенные к входу фазовращателя, предварительный усилитель, переключатель, к первому и второму входам которого подключены гидрофон и нуль-орган соответственно, аналого-цифровой преобразователь и устройство управления и вычисления, соединенное управляющей шиной с переключателем, аналого-цифровым преобразователем, задающим генератором, фазовращателем, аттенюатором, согласно изобретению введены преобразователь тока в напряжение, дополнительные первый, второй, третий переключатели и дополнительный аналого-цифровой преобразователь, причем выход нуль-индикатора подключен к третьему входу переключателя, второй вход которого подключен к входу

третьего дополнительного переключателя, выход которого подключен к входу дополнительного аналого-цифрового преобразователя и первому выходу фазовращателя,

кроме того, выход переключателя подключен к первому входу второго дополнительного переключателя, второй вход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, второй и четвертый выходы

0 первого - с входом и выходом преобразователя тока в напряжение соответственно, первый и третий выходы - входом и выходом предвари дельного усилителя соответственно, при этом выход усилителя мощности

5 подключен через первый дополнительный переключатель к излучателю, а устройство управления и вычисления подключено управляющей шиной к каждому дополнительному переключателю и дополнительному

0 аналого-цифровому преобразователю.

Введение дополнительных переключателей и аналого-цифрового преобразователя, а также преобразователя тока в напряжение и соответствующих связей их с

5 другими элементами устройства позволило обеспечить, согласно способу, предварительное дополнительное возбуждение нуль- органа, а затем излучателя, измерение комплексного значения амплитуд сигналов

0 на нуль-индикаторе, расчет комплексного значения отношения этих амплитуд, выбор напряжения возбуждения излучателя при одновременном возбуждении -нуль-органа равной первоначальной и умноженной на

5 j а, измерение тока короткого замыкания и расчет комплексных значений чувствительности как по напряжению, так по заряду, а также расчет комплексного значения выходного импеданса и тем самым достижения

0 цели, изобретения.

Изобретение поясняются чертежом. Устройство для градуировки гидрофонов содержит камеру 1 малого объема, включающую в себя нуль-индикатор 2, нуль5 орган 3, излучатель 4, а также градуируемый гидрофон 5, устанавливаемый, внутри камеры 1, кроме того, переключатель, 6, дополнительные первый переключатель 7, второй переключатель 8, третий переключатель 9,

0 предварительный усилитель 10, преобразователь 11 тока в напряжение, усилитель 12 мощности, аттенюатор 13, аналого-цифровой преобразователь 14, дополнительный аналого-цифровой преобразователь 15, за5 дающий генератор 16, фазовращатель 17 и устройство 18 управления и вычисления. Выходы нуль-индикатора 2, нуль-органа 3 и гидрофона 5 подключены к третьему, второму и первому входам переключателя б соответственно.

Излучатель А через первый дополнительный переключатель 7 соединен с выходом усилителя 12 мощности, который последовательно соединен через аттенюатор 13с вторым входом фазовращателя 17, вход которого соединен с выходом задающего генератора 16, Второй вход переключателя 6 соединен через третий дополнительный переключатель 9 с первым выходом фазовращателя 17 и входом допол- нительиого аналого-цифрового преобразователя 15, выход переключателя 6 подключен к первому входу второго дополнительного переключателя 8, второй вход которого соединен с входом аналого-цифро- вого преобразователя 14, первый и третий выходы - с входом и выходом предварительного усилителя 10 соответственно, а второй и четвертый выходы - с входом и выходом преобразователя 11 тока в напряжение со- ответственно. Управляющая шина устройства 18 управления и вычисления подключена к управляющим входам переключателей б, 7, 8, 9, аналого-цифровым преобразователям 14,15, генератору 16, фа- зовращателю 17 и аттенюатору 13.

При этом предварительный усилитель 10 имеет коэффициент усиления К, а преобразователь 11 тока в напряжение имеет импеданс преобразования Z и предназначен для преобразования тока I в напряжение Uz, равное I x Z.

Устройство работает следующим образом. Синусоидальное фиксированное напряжение возбуждения на установленной частоте градуировки с выхода задающего генератора 16 подается на фазовращатель .17, с первого выхода которого подается на вход дополнительного аналого-цифрового преобразователя 15 и через включенный третий дополнительный переключатель 9 на нуль-орган 3. Принимаемый сигнал (ток короткого замыкания WHO) с выхода нуль-индикатора 2 через переключатель 6 и второй дополнительный переключатель 8 (выход 2) подается на оход преобразователя 11 тока в напряжение, с выхода которого через второй дополнительный переключатель 8 (вход 2) подается на аналого-цифровой преобразователь 14, который как и дополнительный аналого-цифровой преобразователь 15 преобразует аналоговые сигналы в цифровую форму и передают их в устройство 18 управления и вычисления, которое производит одноточечное дискретное преобразование Фурье (ОДПФ) обоих сигналов и. таким образом, определяется амплитуда сигнала на выходе преобразователя 11 и фаза относительно опорного напряжения, снимаемого с второго выхода фазовращателя 17, т.е.

UZHH-Ho Uz ни-но 0J /НИ НСЧни-но Z (1)

где Uz - амплитуда комплексного напряжения, р- его фаза.

Далее третий дополнительный переключатель 9 отключается, и напряжение возбуждения с второго выхода фазовращателя 17 через аттенюатор 13, усилитель 12 мощности и включенный первый дополнительный переключатель 7 подается на излучатель 4. Принимаемый сигнал с выхода нуль-индикатора 2 через переключатель 6 и второй дополнительный переключатель 8 подается на преобразователь 11 и далее на аналого-цифровой преобразователь 14 и устройство 18 управления и вычисления.

Аналогично описанному определяется комплексное значение сигнала на выходе

преобразователя 11, а именно:,

UZHH-M UZHH-H и Z

(2)

После этого устройством 18 управления и вычисления рассчитывается комплексное значение отношения сигналов

Цгни-i0

но

.ни-и

ни-но

ни-и

а &

i f .1 U.

(3)

где д-

UZnH-и

(4)

ф - $CЈHII-но PZHW-W

(5)

После вычислений с устройства 18 подается сигнал на фазовращатель 17, увеличивающий сдвиг фаз на его выходах на величинуJT - а, и на аттенюатор 13, уменьшающий его коэффициент затухания в «раз. Затем замыкается переключатель 7 и напряжения возбуждения подаются одновременно на нуль-орган 3 и излучатель 4. Переключая соответственно переключатель 6, снимается напряжение на выходе нуль- органа 3 и гидрофона 5. Измеряется комплексное значение напряжения Оно нуль-органа 3. При этом второй дополнительный переключатель 8 переключается в верхнее положение. При этом подключается предварительный усилитель 10, и сигнал через АЦП 14 поступает на устройство 18 управления и вычисления. Аналогично измеряется комплексное значение напряжения Ог на выходе гидрофона 5. Затем второй дополнительный переключатель 8 переводится в нижнее положение, а переключатель 6 подключается к гидрофону 5, и измеряется комплексное значение тока короткого замыкания ir. При этом подключен к переключателю 8 преобразователь 11 тока в напряжение. Далее в устройстве 18 управления и вычисления производится расчет

комплексного значения чувствительности по напряжению в соответствии с формулой:

Ur

Мк UHO

где Мк - константа компенсационного преобразователя,

Or- комплексное значение напряжения на гидрофоне 5,

UHO - комплексное значение напряжения на нуль-органЬ 3,

а также дополнительно рассчитывается комплексное значение чувствительности по заряду в соответствии с формулой:

MPQ

2tff Мк UHO

где 1Г- комплексное значение тока короткого замыкания гидрофона 5, f - частота градуировки,

и комплексное значение выходного импеданса гидрофона 5 по формуле

4 Ur Zr-р

Описанная выше работа устройства отражает пример осуществления способа градуировки по методу пьезоэлектрической компенсации, основанному на одновременном соответствии между давлением в камере и амплитудой напряжения компенсации, подаваемого на нуль-орган в момент торможения механических колебаний нуль-органа. При этом напряжение на выходе нуль-индикатора минимальное, Для установления этого соответствия производят расчет величины необходимого изменения амплитуды и фазы напряжения, подаваемого на излучатель. Расчет величины изменения напряжения на излучателе основывается на том, что для получения минимума напряжения на выходе нуль-индикатора, суммируемые сигналы, возникающие от возбуждения излучателя и нуль-органа, должны быть равны по амплитуде и сдвинуты по фазе на 180°, т.е.

« иНи-но/Они-Н,(9)

При отсутствии компенсации а & J. Поскольку амплитуда сигнала на выходе нуль- индикатора связана с напряжением возбуждения излучателя линейной зависимостью, то для получения режима компенсации напряжение возбуждения излучателя увеличивается в j а. раз. Расчет необходимого изменения величины напряжения излучателя производится путем измерения

комплексных значений сигналов нуль-индикатора 2 при последовательном возбуждении нуль-органа 3 и излучателя 4.

Измерение комплексного напряжения

5 холостого хода на выходе гидрофона позволяет определить комплексное значение чувствительности гидрофона по напряжению, а измерение комплексного значения тока короткого замыкания позволяет рассчитать

10 чувствительчость гидрофона по заряду и его выходной импеданс.

Заявляемые способ и устройство были реализованы на установке, содержащей камеру малого обьема 1, выполненную, напри15 мер, по АС. № 769766. Конструкция гидрофона 5 и предварительного усилителя 10 решена традиционно. В качестве преобразователя 11 тока в напряжение возможно использование технического решения в

20 журнале Электроника, США, 1988, № 1, с. 77-82.

Аналого-цифровые преобразователи 14, 15 реализованы на базе осциллографа С9-8 с использованием его каналов А и Б.

25 Задающий генератор 16 и фазовращатель

17реализованы на базе генератора специальной формы Гб-33. В качестве устройства

18управления и вычисления использовался ДВК 3 М2. В качестве переключателей ис30 пользовались электромагнитные реле РЭС- 49.

Использование предлагаемых способа и устройства для градуировки гидрофонов обеспечивает по сравнению с существую35 щими аналогами следующие преимущества:

1.Не менее чем в 1,5 раза повышается быстродействие градуировки. Экспериментальная установка производит градуировку гидрофонов в диапазоне 1 Гц до 3,15 кГц

40 через 1/3 октавы за 17 минут. Автоматическая установка предшествующего поколения, например, Установка Измерение-01 У, ПО Ах- туба, Волгоград, производит градуировку гидрофонов в диапазоне от 10 Гц до 3,15 кГц

45 более чем за 20 мин.

2.Расширение функциональных возможностей - определяются комплексные чувствительности гидрофонов по напряжению холостого хода, по заряду, а также вы50 ходной импеданс. Установки с указанными свойствами в рабочем диапазоне ст 1 Гц до 3,15 кГц ке известны.

Использование предпагаемого способа градуировки гидрофонов и устройства для

55 его осуществления позволяют по сравнению с прототипом повысить быстродействие за счет исключения операций подбора амплитуды и фазы напряжения на излучателе и введение операции расчета величины необходимого изменения этого напряжения

по результатам двух измерений комплексных значений сигналов на нуль-индикаторе. Одновременно повышается качество градуировки за счет повышения информативности способа и устройства, а именно, измерения комплексных значений чувствительности гидрофона как по напряжению, так и по заряду, а также измерения комплексного значения выходного импеданса гидрофона по результатам измерений комплексных значений сигналов преобразователей.

Формула изобретения 1. Способ градуировки гидрофонов методом пьезоэлектрической компенсации в камере малого объема, заключающийся в одновременном электрическом возбуждении колебаний нуль-органа и излучателя, измерении напряжения холостого хода на гидрофоне и расчете чувствительности гидрофона по напряжению, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия и информативности, перед одновремен- ным электрическим возбуждением колебаний нуль-органа и излучателя, дополнительно возбуждают фиксированным напряжением нуль-орган, измеряют комплексное значение амплитуды сигнала на нуль-индикаторе, снимают напряжение возбуждения с нуль-органа и дополнительно электрически возбуждают излучатель, измеряют комплексное значение амплитуды сигнала на нуль-индикаторе и рассчитывают комплексное значение отношения амплитуд сигналов а на нуль-индикаторе, одновременное возбуждение нуль-органа и излучателя производят напряжением, равным первоначальной фиксированной величине напряжения, умноженной на величину j a , после измерения напряжения холостого хода на гидрофоне измеряют ток короткого замыкания гидрофона, а при расчете чувствительности гидрофона по напряжению Мги определяют ее комплексное значение по формуле:

и

Мги

Ur

Мк Оно

где Мк - константа установки, определяе- -мая путем компенсации в камере гидростатического давления;

иг - комплексное значение напряжения холостого хода на гидрофоне:

Оно - комплексное значение напряжения на нуль-органе,

дополнительно рассчитывают комплексное значение чувствительности гидрофона по заряду Мга в соответствии с формулой

MrQ

Ir

2jrf Мк и(.

10

где 1Г - комплексное значение тока короткого замыкания гидрофона,

f - частота напряжения, а также дополнительно рассчитывают комплексное значение выходного импеданса гидрофона в соответствии с формулой

Zr

Ur

-,

Ir

5

0

5

0

5

0

5

0

5

2. Устройство для градуирования гидрофонов методом пьезоэлектрической компенсации в камере малого объема, содержащее нуль-орган, нуль-индикатор, излучатель, установленный в стенках камеры малого объема, гидрофон, предварительный усилитель, последовательно соединенные фазовращатель, аттенюатор и усилитель мощности, задающий генератор, подключенный к входу фазовращателя, переключатель, аналогогцифровой преобразователь, блок управления и вычисления, причем аттенюатор связан с вторым выходом фазовращателя, гидрофон и нуль-орган связаны с первым и вторым входом переключателя соответственно, а блок управления и вычитания соединены через управляющую шину с переключателем, аналого-цифровым преобразователем, задающим генератор, фазовращателем и аттенюатором, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия и информативности, в него введены преобразователь тока в напряжение, дополнительные первый, второй и третий переключатели, дополнительный аналого-цифровой преобразователь, при- чем выход нуль-индикатора подключен к третьему входу переключателя, второй вход которого связан с входом третьего дополнительного переключателя, выход третьего дополнительного переключателя подключен к входу дополнительного анчлого-цифрового преобразователя и первому выходу фазовращателя, выход переключателя связан с первым входом второго дополнительного переключателя, второй вход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, второй и четвертый выходы первого дополнительного переключателя связаны с входом и выходом преобразователя тока в напряжение соответственно, первый и в третий выходы - с входом и выходом предварительного усилителя соответственно, при этом выход усилителя мощности подключен через первый дополнительный переключатель к излучателю, а блок управления и вычисления подключен через управляющую шину к каждому дополнительному

переключателю и дополнительному аналого-цифровому преобразователю.

Использование: измерительная техника. Цель - повышение быстродействия и информативности. Сущность изобретения: при градуировке гидрофонов по методу пьезоэлектрической компенсации в камере малого объема предварительно дополнительно электрически возбуждают нуль-орган фиксируемым напряжением, измеряют комплексное значение амплитуды сигнала на нуль-индикаторе, снимают напряжение возбуждения и дополнительно электрически возбуждают излучатель напряжением, измеряют комплексное значение амплитуды сигнала на нуль-индикаторе и рассчитывают комплексное значение от- ношения амплитуд сигналов а на нуль-индикаторе, одновременно электрически возбуждают нуль-орган фиксируемым напряжением, равным первоначальной величине напряжения, умноженной на величину j а, измеряют напряжение холостого хода на гидрофоне, измеряют его ток короткого замыкания, рассчитывают комплексное значение чувствительности по напряжению, рассчитывают комплексное значение чувствительности по заряду, рассчитывают комплексное значение выходного импеданса гидрофона по формуле. Устройство содержит камеру малого объема, нуль-орган, нуль-индикатор, излучатель, гидрофон, 4 переключателя, предварительный усилитель, преобразователь тока в напряжение, усилитель мощности, аттенюатор.2 аналого-цифровых преобразователя, задающий генератор, фазовращатель, блок управления и вычисления. 2 с.п,ф-лы, 1 ил. сл с XJ -ч сл 00 XI сл

I