Способ градуировки гидроакустического излучателя Советский патент 1993 года по МПК H04R29/00 

Изобретение относится к области гидроакустических измерений и может быть ис- пользованодля градуировки низкочастотных гидроакустических излучателей в непрерывном режиме работы.

Известен способ градуировки гидроакустических излучателей в непрерывном режиме работы с использованием образцового гидрофона, заключающийся в том, что излучатель и гидрофон помещают в водном полупространстве, например, в естественном водоеме, в фиксированном друг относительно друга положении, глубина погружения излучателя и гидрофона и ориентация оси, соединяющей акустические центры излучателя и гидрофона, относительно поверхности воды выбираются из условия отсутствия интерференции прямого и претерпевшего отражения от поверхности воды акустических сигналов на гидрофоне, измеряется электрическое напряжение на зажимах гидрофона на частоте градуировки, а давление, развиваемое излучателем, вычисляется как отношение напряжения к чувствительности гидрофона.

Этот способ по своей технической сущности является наиболее близким к заявляемому, выбран в качестве прототипа.

ч ю VJ

«

о о

Недостатком данного способа является ограничение диапазона градуировки в низкочастотной области частотами порядка 1 кГц. Это связано с тем, что с понижением частоты перестают удовлетворяться условия свободного пространства, причем, в первую очередь из-за влияния поверхности воды, т.к. коэффициент ограничения акустических сигналов от границы раздела вода- воздух практически равен единице, а возможность удаления излучателя и гидрофона от поверхности воды (погружения на большие глубины) весьма ограничены, т.к. излучатели имеют ограничения по техническим характеристикам на максимальную глубину погружения, технологически сложно обеспечить спуск и стабилизацию положения излучателя и гидрофона на глубину порядка сотен метров и более и т.п. Кроме того, при значительных удалениях излучателя и гидрофона от поверхности воды одновременно с уменьшением акустического сигнала от поверхности происходит увеличение сигнала от второй естественной границы водоема - дна. Уменьшить акустический сигнал от поверхности можно также используя направленность излучате- ля ориентируя ось, соединяющую акустические центры излучателя и гидрофона, относительно поверхности воды, так, чтобы направление излучения акустического сигнала, отраженного от поверхности вида и принятого гидрофоном соответствовало минимуму на диаграмме направленности излучателя.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей и диапазона градуировки в область низких частот.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе градуировки гидроакустических излучателей в непрерывном режиме работы с использованием образцового гидрофона излучатель и гидрофон перемещаются по глубине на расстояние не менее половины длины волны на частоте градуировки, измеряется не менее двух экстремальных значений электрического напряжения Ui, U2, ...Un на зажимах гидрофона, соответствующих интерференционным максимумам и минимумам прямого и отраженного от поверхности воды акустических сигналов на гидрофоне, при этом ось, соединяющая акустические центры излучателя и гидрофона, должна быть ориентирована вертикально, минимальная глубина погружения излучателя и гидрофона ограничивается четвертью длины волны на частоте градуировки, а электрическое напряжение U определяется как

1 T1Ui+Ui + i о „ , 7 U - , i, --2--п 3 3- 5 7- Как показывает анализ интерференционных явлений при сложении двух гармонических акустических сигналов одинаковой частоты пространственное распределение амплитуды результирующего акустического сигнала будет определяться соотношениями между фазами и амплитудами этих двух сигналов в той или иной точке пространства. При этом результирующее пространственное распределение амплитуд образует независящуюот времени

интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих акустических сигналов при переходе от точки к точке. Если излучатель и гидрофон перемещаются в водном полупространстве в фиксированном друг относительно друга положении, то результирующее пространственное распределение амплитуд, регистрируемое по электрическому напряжению, измеряемому на

зажимах гидрофона, будет определяться соотношениями между фазами и амплитудами прямого и отраженного от поверхности воды акустического сигнала, причем фаза и амплитуда прямого акустического сигнала

будут оставаться неизменными (в силу фиксированного положения излучателя.и гидрофона друг относительно друга), а амплитуда и фаза сигнала, отраженного от поверхности воды, будут изменяться: амплитуда сигнала, отраженного от поверхности воды, будет изменяться обратно пропорционально, а фаза - прямо пропорционально изменению длины луча излучатель - поверхность воды - гидрофон.

Кроме того, амплитуда и фаза акустического сигнала, отраженного от поверхности воды, будет зависеть от ориентации оси, соединяющей акустические центры излучателя и гидрофона, относительно поверхности воды, кроме частного случая излучателя с круговой диаграммой направленности. Если ось, соединяющая акустические центры излучателя и гидрофона ориентирована вертикально, что угловое направление луча излучатель .- поверхность воды - гидрофон относительно излучателя будет оставаться неизменным и амплитуда, и фаза акустического сигнала, отраженного от поверхности, не будет зависеть от диаграммы направленности излучателя при изменении глубины погружения излучателя и гидрофона, а экстремальные значения: максимумы и минимумы интерференционной картины, регистрируемые по электрическому напряжению, измеряемому на зажимах гидрофона. будут наблюдаться при разности хода лучей прямого и отраженного от поверхности воды акустических сигналов, кратной половине длины полны на частоте градуировки, т.е. максимумы и минимумы интерференционной картины будут чередоваться при изменении глубины погружения излучателя и гидрофона на величину, кратную четверти длины волны на частоте градуировки. Минимальная глубина погружения излучателя, если излучатель расположен над гидрофоном, или гидрофона, если он расположен над излучателем, при которой появляется первое экстремальное значение на интерференционной картине равно четверти длины волны на частоте градуировки. Поэтому минимальная глубина погружения излучателя и гидрофона при их перемещении ограничивается четвертью длины волны на частоте градуировки.

Если перемещение начинается из положения, при котором на гидрофоне регистрируется экстремальное значение амплитуды результирующего акустического сигнала, то для регистрации следующего экстремального значения необходимо изменить глубину погружения излучателя и гидрофона на четверть длины волны на частоте градуировки, разность хода лучей прямого и отраженного от поверхности воды акустических сигналов изменится при этом на половину длины волны на частоте градуировки, однако, в общем случае, когда перемещение начинается из положения, при котором на гидрофоне может регистрироваться некоторое промежуточное значение амплитуды результирующего сигнала, необходимо изменить глубину погружения излучателя и гидрофона на величину не менее половины длины волны на частоте градуировки для регистрации не менее двух экстремальных значений амплитуды результирующего сигнала.

Так как последовательность экстремальных значений амплитуды результирующего сигнала при изменении глубины погружения излучателя и гидрофона на величину не менее половины длины волны на частоте градуировки регистрируется в виде последовательности экстремальных значений электрического напряжения Ui, Ш, ..., Un, измеряемого на зажимах гидрофона, то пара соседних значений напряжений Ui, UH-I будет соответствовать максимуму м минимуму или минимуму и максимуму амплитуды результирующего сигнала: в случае максимума -синфазному сложению прямого акустического сигнала и сигнала, претерпевшего отражение от поверхности воды, в случае минимума - противофазному сложению сигнала, претерпевшего отражение от поверхности воды с прямым сигналом. Поэтому, если вычислить полусумму пары соседних значений Ui, Ui+1 или Ui, Ui-i. то составляющие результирующей амплитуды

акустического сигнала на гидрофоне, обусловленные отражением от поверхности воды, будут компенсироваться, однако компенсация будет неполной и результат вычисления будет отличаться от напряжения, которое было бы на зажимах гидрофона при отсутствии акустического сигнала, отраженного от поверхности воды будут компенсироваться, однако компенсация будет неполной и результат вычисления будет отличаться от напряжения, которое было бы на зажимах гидрофона при отсутствии акустического сигнала, отраженного от поверхности воды на величину ±AUi. 1+1 или ±AUi,M, которая имеет смысл методическо.й составляющей систематической погрешности

f Cf 1 - Л

пропорциональна

-. t С С i Т « А .

0.5(n 1-ri-M 1H.,5A) 1, где п. rui - длина луча излучатель - поверхность воды - гидрофон при напряжениях Ui, UH-I соответ5 ственно;

А - длина волны на частоте градуировки.

Пары соседних значений AUi,i-i и AUi, j+1 имеют противоположный знак, поэ0 тому если глубина погружения излучателя и гидрофона изменяется на величину более половины длины волны на частоте градуировки и измеряется более двух экстремальных значений электрических напряжений

5 Ui. то величина

1 А- Ui + U 4-1 ,| .1 ---2----«-2-3.5,7,...

оказывается близкой к величине электриче0 ского напряжения, которое было бы на зажимах гидрофона при отсутствии отраженного от поверхности воды акустического сигнала.

Таким образом, изменение глубины по5 гружения излучателя и гидрофона и измерение экстремальных значений электрического напряжения на зажимах гидрофона, соответствующих экстремальным значе.ниям амплитуды результирующе0 го акустического сигнала на гидрофоне, позволяет уменьшить влияние отраженного от поверхности воды акустического сигнала на результат изменений в целом, и проводить градуировку излучателей вблизи по5 верхности воды.

Известное техническое решение имеет признаки, в некоторо.й степени сходные с отличительными признаками заявляемого изобретения, в частности в примере реализации способа, взятого в качестве прототипа, использованы признаки помещения излучателя и гидрофона в водное полупространство в фиксированном друг относительно друга и поверхности воды положении и измерение электрического напряжения на зажимах гидрофона. Эти признаки позволяют определить акустическое давление, развиваемое излучателем в водной среде как отношение электрического напряжения на зажимах гидрофона U к его чувствительности при отсутствии акустического сигнала, отраженного от поверхности воды.

На фиг. 1 схематично представлен один из вариантов установки для градуировки излучателей; на фиг. 2 - зависимость электрического напряжения на зажимах гидрофона, соответствующего амплитуде результирующего акустического сигнала на гидрофоне в зависимости от глубины погружения излучателя и гидрофона.

Установка содержит образцовый гидрофон 1, градуируемый излучатель 2, источник электрических гармонических колебаний 3, измеритель электрического напряжения 4, подъемно-спусковой механизм 5 и раму 6. Рама 6 механически соединена с тросом подъемно-спускового механизма 5. На раме крепятся гидрофон 1 и излучатель 2 так, что вертикальная ориентация рамы и оси, соединяющей акустические центры излучателя и гидрофона, осуществляется под их собственным весом. Если этого недостаточно, то используется дополнительный груз Р. Источник электрических гармонических колебаний 3 подключен с помощью электрического кабеля к зажимам излучателя 2, зажимы гидрофона t подключены с помощью электрического кабеля к измерителю электрического напряжения 4, Под воздействием источника 3 излучатель 2 излучает акустический гармонический сигнал, который распространяется в водной среде, воспринимается гидрофоном 1 и регистрируется в виде электрического напряжения на измерителе 4. При этом акустический сигнал на гидрофоне 1 представляет собой сумму прямого акустического сигнала и сигнала, претерпевшего отражение от поверхности воды.

Способ осуществляется следующим образом.

С помощью подъемно-спускового механизма 5 изменяется глубина погружения рамы 6, а следовательно, и глубина погружения гидрофона 1 и излучателя 2. При этом амплитуда и фаза прямого акустического сигнала на гидрофоне остаются неизменными, амплитуда акустического сигнала

на гидрофоне, отраженного от поверхности воды изменяется обратно пропорционально, а фаза - прямо пропорционально расстоянию излучатель - поверхность воды - гидрофон. Амплитуда результирующего акустического сигнала на гидрофоне регистрируется по электрическому напряжению, измеряемому на его зажимах измерителем 4. Одновременно с изменением глубины погружения излучателя и гидрофона измерителем 4 регистрируется электрическое напряжение на зажимах гидрофона (фиг. 2) и измеряются его экстремальные значения, которые осциллируют относительно величины электрического напряжения, которое было бы на зажимах гидрофона при отсутствии акустического сигнала от поверхности. Значения пол.усумм соседних пар экстремальных значений 0,5- (Ui+Uj+i) также осциллируют относительно величины, однако размах осцилляции значительно меньше (фиг. 2), а величина напряжения

Гу

Ui +Ui+i

,,3,5,7,...

близка к величине U.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает уменьшение глубины погружения излучателя и гидрофона и расширение диапазона градуировки в область низких частот.

Техническим преимуществом заявляе- мого способа по отношению к известному является то, что он позволяет реализовать

практически процедуру градуировки низкочастотных излучателей в относительно мелких естественных водоемах и тем самым уменьшить материальные затраты, связанные с организацией работ в глубоководных

районах мирового Океана.

Изобретение относится к области гидроакустических измерений и может быть ис- пользованодля градуировки низкочастотных гидроакустических излучателей в непрерывном режиме работы. Делью изобретения является уменьшение глубины погружения излучателей и расширение диапазона градуировки в область низких частот. Излучатель и гидрофон перемещают относительно поверхности воды, глубина их погружения должна изменяться не меньше чем на половину длины волны на частоте градуировки, измеряют не менее двух экстремальных значений Ui, U2,...,Un на зажимах гидрофона, соответствующих интерференционным максимумам и минимумам прямого и отраженного от поверхности воды акустических сигналов на гидрофоне, при этом ось, соединяющая акустические центры, излучателя и гидрофона, ориентированна вертикально. Чувствительность излучателя Т определят по формуле Т 1 . 1 i+Uj-H 1 , --2---2.3.5, 7..., где Ечувствительность образцового гидрофона; Ui - экстремальное значение электрического напряжения на зажимах гидрофона; I - порядковый номер экстремального значения; п - число измеренных значений электрического напряжения на зажимах гидрофона. 2 ил. (Л С

Формула изобретения Способ градуировки гидроакустического излучателя, при котором погружают в жидкость гидрофон и излучатель на измеренных расстояниях друг от друга и от поверхности воды, измеряют величину электрического напряжения, снимаемого с зажимов гидрофона, на частоте градуировки, а давление, развиваемое излучателем, рассчитывают как отношение измеренного

электрического напряжения к заранее определенной чувствительности гидрофона, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей и диапазона градуировки в область низких частот,излучатель и гидрофон погружают на глубину, равную не менее чем половине длины звуковой волны, измеряют не менее двух экстремальных значений электрического напряжения Ui....Un, соответствующих интерференционным максимумам и минимумам прямого и отраженного от поверхности воды акустических сигналов на гидрофоне, при этом ось, соединяющую акустические центры излучателя и гидрофона,

ориентируют вертикально, дополнительно рассчитывают чувствительность излучателя Т по формуле

1 Д- 1Ui + Ui + 1

T-l 1 Е

1

n-1,i2 .3.5.7,..., где Е - чувствительность гидрофона;

Ui - экстремальное значение электрического напряжения на зажимах гидрофона;

1 - порядковый номер экстремального значения;

п - число измеренных значений электрического напряжения на зажимах гидрофона.

Фиг.1

ГЛУВИНА