Результат интеллектуальной деятельности: Способ градуировки гидрофонов методом эталонного излучателя

Изобретение относится к области метрологии гидроакустических измерений и может быть использовано для градуировки гидрофонов методом эталонного излучателя.

Известен способ градуировки гидрофонов методом эталонного излучателя, заключающийся в расположении градуируемого гидрофона в гидроакустическом бассейне на расстоянии R от эталонного излучателя, возбуждении излучателя сигналом в диапазоне частот, излучении акустического сигнала и приеме градуируемым гидрофоном прямого акустического сигнала излучателя и сигналов, отраженных границами бассейна, определении частотной зависимости амплитуды напряжения на выходе гидрофона U_г(f), определении для U_г(f) зависимости коэффициентов Фурье S(τ), разделении по параметру τ коэффициентов Фурье S(τ), относящихся к прямому и отраженным сигналам, определении зависимости S'(τ) обнулением в S(τ) коэффициентов Фурье, относящихся к отраженным сигналам, определении частотной зависимости амплитуды выходного напряжения градуируемого гидрофона в свободном поле U'_г(f) обратным преобразованием Фурье S'(τ) и определении чувствительности градуируемого гидрофона по свободному полю М_r(f) по формуле

где P(f) - частотная зависимость амплитуды звукового давления, создаваемого эталонным излучением в свободном поле на расстоянии R от излучателя. /С.В. Сильвестров, И.С.Сильвестров. Градуировка гидрофонов на непрерывном сигнале в условиях лабораторного гидроакустического бассейна «Материалы научно-технической конференции. Проблемы метрологии гидрофизических измерений. ПМГИ-2006» 16-18 мая, 2006, стр. 152-155./.

Данный способ принят за прототип.

Недостатком прототипа является недостаточная точность градуировки из-за наличия в частотной зависимости U_г(f) интермодуляционных искажений, обусловленных взаимным влиянием составляющих выходного напряжения гидрофона, соответствующих прямому акустическому сигналу излучателя и сигналам, отраженным от стенок бассейна, при измерении амплитудного значения напряжения на частоте f.

Техническим результатом, получаемым от применения изобретения, является устранение недостатка прототипа, т.е. повышение точности градуировки гидрофонов методом эталонного излучателя.

Данный технический результат достигается за счет того, что в известном способе градуировки гидрофонов методом эталонного излучателя, заключающемся в расположении градуируемого гидрофона в гидроакустическом бассейне на расстоянии R от эталонного излучателя, возбуждении излучателя сигналом в диапазоне частот, излучении акустического сигнала и приеме градуируемым гидрофоном прямого акустического сигнала излучателя и сигналов, отраженных границами бассейна, измерении частотной зависимости амплитуды напряжения на выходе гидрофона U_г(f), получении для U_г(f) зависимости коэффициентов Фурье S(τ), разделении по параметру τ коэффициентов Фурье S(τ), относящихся к прямому и отраженным сигналам, получении зависимости S'(τ) обнулением в S(τ) коэффициентов Фурье, относящихся к отраженным сигналам, получении частотной зависимости амплитуды выходного напряжения градуируемого гидрофона в свободном поле U'_г(f) обратным преобразованием Фурье S'(τ) и определении чувствительности градуируемого гидрофона по свободному полю M_r(f) в диапазоне частот градуировки по формуле

где P(f) - частотная зависимость амплитуды звукового давления, создаваемого эталонным излучением в свободном поле на расстоянии R от излучателя, в качестве сигнала возбуждения излучателя применяют линейный частотно-модулированный сигнал, регистрируют мгновенные значения напряжения на выходе гидрофона, определяют синфазную U_s(f) и квадратурную U_c(f) составляющие частотной зависимости напряжения гидрофона, преобразование Фурье применяют отдельно к синфазной и к квадратурной составляющим, определяют зависимости коэффициентов Фурье S_s(τ) и S_c(τ), определяют зависимости S'_s(τ) и S'_c(τ) обнулением соответственно в S_s(τ) и S_c(τ) коэффициентов, относящихся к отраженным сигналам, получают синфазную U'_s(f) и квадратурную U'_c(f) составляющие частотной зависимости выходного напряжения гидрофона в свободном поле обратным преобразованием Фурье S'_s(τ) и S'_c(τ), частотную зависимость выходного напряжения градуируемого гидрофона в свободном поле U'_г(f) получают по формуле

Чувствительность градуируемого гидрофона по свободному полю в диапазоне частот градуировки рассчитывают по формуле (1).

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена схема для реализации способа, на фиг. 2, 3, 4 - диаграммы для пояснения сущности способа.

В гидроакустическом бассейне 1 располагают градуируемый гидрофон 2 на расстоянии R от эталонного излучателя 3.

Излучатель 3 возбуждают сигналом усилителя мощности 4. Сигнал возбуждения формируют с помощью генератора 5.

Выход градуируемого гидрофона 2 подключают к осциллографу цифровому 6, выполняющему функции отображения и аналого-цифрового преобразования сигнала. В цифровой форме сигнал гидрофона поступает с выхода осциллографа 6 в электронную вычислительную машину (ЭВМ) 7, которая выполняет обработку сигнала гидрофона, а также управляет генератором 5.

Предложенный способ реализуют следующим образом: в частотном диапазоне градуировки линейно-частотно-модулированным (ЛЧМ) сигналом u(t)=sin(2πf₀t+at²), где f₀ - начальная частота, а - скорость измерения частоты, с выхода генератора 5 возбуждают эталонный излучатель 3, который преобразует сигнал возбуждения в акустический сигнал. Градуируемый гидрофон 2 принимает прямой акустический сигнал излучателя и сигналы, отраженные от стенок и поверхности бассейна, и преобразует принятые сигналы в электрическое напряжение. Выходное напряжение гидрофона подают на осциллограф 6, с выхода которого в цифровом виде напряжение гидрофона u_г(t) поступает в ЭВМ 7.

Обработка измерительных данных включает в себя следующие операции: определяют квадратурную U_c(f) и синфазную U_s(f) составляющие частотной зависимости напряжения U_г(f):

Применяя к синфазной и к квадратурной составляющим преобразование Фурье, получают зависимости коэффициентов Фурье S_s(τ) и S_c(τ)

S_c(τ)=F[U_c(f)],

S_s(τ)=F[U_s(f)],

где F[…] означает прямое преобразование Фурье, параметр т имеет смысл временной задержки. В зависимостях S_s(τ) и S_с(τ) обнуляют исходя из временной задержки отраженных сигналов, коэффициенты Фурье, относящиеся к отраженным сигналам, S_so(τ) и S_co(τ), получают зависимости S'_s(t) и S'_с(t)

где τ_отр - временная задержка первого отраженного сигнала относительно прямого сигнала излучателя в месте расположения гидрофона.

К S'_s(τ) и S'_c(τ) применяют обратное преобразование Фурье и получают синфазную U'_s(f) и квадратурную U'_c(f) составляющие частотной зависимости выходного напряжения гидрофона в свободном поле:

U'_c(f)=F^-1[S'_c(τ)],

U'_s(f)=F^-1[S'_s(τ)],

где F^-1[…] означает обратное преобразование Фурье.

Частотную зависимость выходного напряжения градуируемого гидрофона в свободном поле U'_г(f) получают по формуле (2), а чувствительность градуируемого гидрофона рассчитывают по формуле (1).

Использование описанной процедуры позволяет достичь поставленного технического результата.

Это подтверждается экспериментом, результаты которого представлены на фиг. 2, 3, 4. На фиг. 2 представлены модули спектральных коэффициентов прямого S'_c(τ) и отраженных сигналов S_co(τ). На фиг. 3 представлена АЧХ чувствительности гидрофона: М_o - искаженная отражениями акустического сигнала от стенок бассейна, М_и - измеренная при наличии тех же отражений с использованием предложенного способа. На фиг. 4 представлены АЧХ чувствительности гидрофона: М_и - измеренная с использованием предложенного способа при наличии отражений от стенок бассейна и М_э - измеренная по свободному полю независимым методом на эталоне ГЭТ 55-2011.

Таким образом, использование при градуировке гидрофона описанной процедуры позволяет эффективно подавлять искажения, вызванные отражениями, и получать подробную частотную характеристику гидрофона в диапазоне частот, оценивать отражения от элементов носителя гидрофона, а также в ряде случаев от корпуса гидрофона, узлов позиционирования гидрофона под водой, и принимать меры при конструировании аппаратуры для устранения либо уменьшения влияния отражений до приемлемого уровня.