Способ калибровки гидрофонов Советский патент 1979 года по МПК H04R29/00 

(54) СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ГИДРОФОНОВ

Изобретение относится к области аку тики, в частности к измерению акустического давления в калибровке датчиков давления. Известны способы абсолютной калибровки, основанные Hai электрическом измерении звукового давления в трубе, резонатора i3. При этом звуковое давление, действующее на калибруемый прибор, определяют путем измерения доброт ности трубы резонатора на реперных частотах с последующим подсчетом окончательного результата обычным методом Недостатком этих способов является то, что для их реализации необходимо сложное специальное оборудование и низкая точность измерения. Известны также способы калибровки, в которых на калибруемый гидрофон воздействуют акустическим давлением, созд ваемым вспомогательным эталонным источником звука, и при этом измеряют напряжение на выходе Гидрофона |2. Недостатки указанных способов состоят в том, что для их реализации необходимо иметь вспомогательный, хорошо изученный калиброванный преобразователь с устойчивым режимом работы. Кроме того, указанными способами затруднительно производить экспрессконтроль гидрофонов в условиях, например, морских глубоководных измерений, когда могут возникать сомнения в том, что изменилась чувствительность гидрофона, например, в связи с затеканием его конструкции, или изменением рабочей глубины. Целью изобретения является упрощение процесса калибровки и повыщение его точности. Данная цель достигается тем, что акустическое давление в жидкости создают нелинейно пульсирующим парогазовым пузырем, измеряют период его пульсации и амплитуду напряжения на выходе гидрофона в максимуме фазы разре-. жения акустической волны, излучаемой йузырем, а чувствительность определяю по формуле . .. i,&ЪiO T/-f+O,O97 H(i где - чувствительность гидрофона в вольтах на паскаль (система CPI); (j-напряжение сигнала в вольтах на выходе гидрофона в максимуме соот ветствующей измеряемому периоду пульсации пузыря фазы акустической волны; f - расстояние в метрах между центром сферического пузыря и калибруемы гидрофоном. . Т - период пульсации в секундах Н- глубина в .метрах, на которой создают пузырь. Нелинейно пульсирующие в жидкости пузыри могут быть созданы такими физическими процессами, как взрыв взрывчатых веществ, импульсный электрический разряд конденсатора на электродах в жидкости, пробой жидкости под действием сфокусированного лазерного излучения. На начальной активной стадии Таких йроцессов в окружающую жидкость излучается головная акустическая волна сжатия, относительно большой амплитуды и малой деятельности. Затем образуется собственно пузырь, который расширяется, достигает максимального радиуса, начинает сжиматься и по достижении ми нимального радиуса также излучает короткую, большой амплитуды волну сжати называемую импульсом захлопывания. Между двумя волнами сжатия пузырь из лучает длительную сравнительно малой, амплитуды волну разрежения, амплитуда которой достигает максимума в момент наибольшего расширения пузыря. Подобный цикл нелинейных пульсаций, в процессе которых радиус пузыря изменяется Во много раз, может повторяться неоднократно. При этом всякий раз при захлопываниях будут излучаться коротки волны сжатия и длительные волны разре жения между двумя последовательными захлопываниями. Давление паров и газов в пузыре, образованном в жидкости импульсным электрическим разрядом или вспь1шкой лазерного излучения, в момент максимального расширения пузыря составляет 0,03-0,04 окружающего гидростатияеского давления. В таком случае можно считать, что давление на стенки пузыря при достижении им максимального радиу са, приблизительно равно гид ростатическ му давлению со знаком минус. Следова- тельно, максимальную амплитуду волны разрежения на расстоянии Г от сферического пузыря можно Найти по формуле ра р-макс. со-Рт если известны гидростатическое давление Р и максимальный радиус пузыря Rfn Его же величину находят по формуле, связывающей период пульсации пузыря Т и его максимальный радиус T-H,83po-i/2p - /2Rm, где j3 - плотность жидкости. Период пульсации пузыря измеряют как временный интервал между двумя последовательными импульсами захлопывания или, например, в случае, если пузырь образован импульсным электрическим разрядом между головной волной сжатия и импульсом сжатия от первого захлопывания пузыря. Подставляя выражение для максимального радиуса пузыря через его период пульсации из формулы з в формулу 2, получим выражение для амплитуды акустического давления, действующего на гидрофон в максимуме волны разрежения. Отнеся напряжение на выходе гидрофона, соответствующее указанному давлению, к величине этого давления, получим окончательную формулу для чувствительности гидрофона.. Таким образом, создавая нелинейно пульсирующий, в воде пузырь на заданной глубине и расстоянии от гидро-. фона и измеряя период его пульсации, определяют а иплитуду давления в акустической волне разрежения, воспринимаемой гидрофоном, а измерив амплитуду напряжения на выходе гидрофона, соответствующую этому акустическому давлению, ft отнеся ее к амплитуде давлени находят чувствительность гидрофскна. На фиг, 1 показана схема реализации способа, в случае использования импульсного электрического разряда в воде для создания пузыря; На фиг. 2 приведен пример осциллограммы акустического давления, излучаемого пульсирующим пузырем, созданным импульсным электрическим разрядом, в воде на глубине 7 м. Показаны осциллограммы одного и того же сигнала на двух разных лучах осциллографа. От источника питания 1 предваритель но заряжают конденсатор 2. В требуемы момент времени производится поджиг управляемого коммутатора 3 импульсом с блока управления 4, при этом происхо дит разряд конденсатора в междуэлект родном зазоре 5, помеи енйом на извест ной глубине. Практически достаточна глубина в несколько метров. Одновремен но или с задержкой от блока управления 4 осуществляют также запуск развертки осциллографа. Излучаемые разрядом и созданным им пузырем акустические волны принимаются расположенным на известном расстоянии калибруемым гидрофоном 6, с выхода которого электрический сигнал записывает на осциллографе 7. По осциллограмме измеряют, например, первый период пульсации пузыря как временной интервал между головной волной сжатия, излучаемым разрядом, и волной сжатия от захлопывания пузыря, а также амплитуду напряжения в максимуме волны разрежения, соответствующей этому периоду. Полученные данные, известные значения глубины и расстояния между разрядом и гидрофоном используют для определения чувствительности гидрофона по формуле На осциллограммах видна головная волна (импульс) сжатия, излучаемая на активной стадии разряда, следующая за ней длительная волна разрежения и волн сжатия, излучаемая уже при первом за- хлопывании пузыря. Временной интервал между пиками волн сжатия и есть первый период пульсации пузыря. Предлагаемый способ позволяет просто осуществить экспресс - контроль или калибровку гидрофонов с учетом зависимости их чувствительности от рабочей глубины в условиях, например, морских гидроакустических измерений. Способ позволяет калибровать в одинаковых условиях одновременно много гидрофонов, поскольку их можно разместить вокруг пузыря по окружности достаточно большого радиуса так, что их взаимовлияние будет заведомо пренебрежимым. Формула изобретения Способ калибровки гидрофонов, заключающийся в том, что калибруемый гидрофон помещают в жидкость, воздействуют на него акустическим давлением и измеряют напряжение на его выходе, о т л и чающийся тем, что, с целью упрощения процесса калибровки и повышения точности, акустическое давление, в жидкости создают нелинейно пульсирующим парогазовым пузырем, измеряют период его пульсации и амплитуду напряжения на выходе гидрофона в максимуме фазы разрежения акустической волны, излучаемой пузырем, а чувствительность определяют по формуле (0 T/1tO,097H/ где л) - чувствительность гидрофона в вольтах на Паскаль {в системе СИ); и - напряжение сигнала в вольтах с выхода гидрофона в максимуме соответствующей измеряемому периоду пульсации пузыря фазы акустической волны; расстояние в метрах между центром пузыря и калибруемым гидрофоном; Н- глубина в метрах, на которой создают пузырь; Т- период пульсации пузыря в секундах.- , Источники информация, принятые во внимание при экспертизе 1,Авторское свидетельство № 483808, кл. Н 04 Е 29/00, 1975. 2.Авторское свидетельство № 485579, кл. Н 04 R 29/00, 29.09.75.