RU117762U1 - DEVICE FOR ABSOLUTE GRADING OF RADIATING AND RECEIVING ACOUSTIC CONVERTERS - Google Patents
DEVICE FOR ABSOLUTE GRADING OF RADIATING AND RECEIVING ACOUSTIC CONVERTERS Download PDFInfo
- Publication number
- RU117762U1 RU117762U1 RU2012104478/28U RU2012104478U RU117762U1 RU 117762 U1 RU117762 U1 RU 117762U1 RU 2012104478/28 U RU2012104478/28 U RU 2012104478/28U RU 2012104478 U RU2012104478 U RU 2012104478U RU 117762 U1 RU117762 U1 RU 117762U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transducer
- acoustic
- modulator
- chronizer
- amplitude
- Prior art date
Links
Abstract
Устройство для абсолютной градуировки излучающих и приемных акустических преобразователей, содержащее генератор непрерывных колебаний, усилитель мощности, измеритель амплитуды, излучающий преобразователь, акустически связанный через среду распространения с градуируемым приемным преобразователем, отличающееся тем, что в него дополнительно введены второй генератор непрерывных колебаний, хронизатор-модулятор, широкополосный усилитель, анализатор спектра, решающее устройство и блок управления, причем выходы обоих генераторов непрерывных колебаний соединены с двумя сигнальными входами хронизатора-модулятора, выход которого соединен со входом усилителя мощности, дополнительный вход хронизатора-модулятора соединен с выходом приемного преобразователя, дополнительный выход хронизатора-модулятора через последовательно включенные широкополосный усилитель, анализатор спектра соединен со входом решающего устройства; управляющие входы обоих генераторов непрерывных колебаний, хронизатора-модулятора, измерителя амплитуды, анализатора спектра и решающего устройства соединены с соответствующими выходами блока управления, причем излучающий преобразователь формирует в водной среде акустический пучок накачки с близким к гауссовому поперечным распределением амплитуды звукового давления. A device for absolute calibration of emitting and receiving acoustic transducers, containing a continuous oscillator, a power amplifier, an amplitude meter, an emitting transducer, acoustically connected through the propagation medium with a calibrated receiving transducer, characterized in that it additionally contains a second continuous oscillator, a chronizer-modulator , broadband amplifier, spectrum analyzer, solver and control unit, and the outputs of both continuous oscillators are connected to two signal inputs of the chronizer-modulator, the output of which is connected to the input of the power amplifier, the additional input of the chronizer-modulator is connected to the output of the receiving transducer, additional output of the chronizer - a modulator through a series-connected broadband amplifier, a spectrum analyzer is connected to the input of the solver; the control inputs of both continuous oscillators, the chronizer-modulator, the amplitude meter, the spectrum analyzer and the solver are connected to the corresponding outputs of the control unit, and the emitting transducer forms an acoustic pumping beam in the aqueous medium with a transverse distribution of the sound pressure amplitude close to Gaussian.
Description
Полезная модель относится к области акустических измерений и может быть использована для абсолютной градуировки акустических излучающих и приемных преобразователей в широкой полосе частот. Предлагаемое устройство позволяет получать частотные зависимости чувствительностей как в режиме излучения для градуируемого излучателя, так и в режиме приема для градуируемого широкополосного приемника звукового давления. Расширение частотного диапазона градуировки обеспечивается обработкой в устройстве акустических сигналов, формирующихся за счет эффектов взаимодействия и самовоздействия акустических волн конечной амплитуды при распространении в среде с нелинейностью упругих свойств, т.е. генерируемых «виртуальной» излучающей параметрической антенной, которая используется в качестве эталонного излучателя ультразвуковых волн. Развитая теория параметрической антенны позволяет достаточно точно рассчитать необходимые для градуировки характеристики, в частности, и амплитуды звуковых давлений спектральных компонент полигармонического акустического поля: бигармонической f1, f2 накачки средней мощности с близким к гауссову поперечным амплитудным распределением, низкочастотных F=|f2-f1| и высокочастотных 2f1, f+, 2f2 сигналов. Преимущественная область использования - гидроакустика.The utility model relates to the field of acoustic measurements and can be used for absolute calibration of acoustic emitting and receiving transducers in a wide frequency band. The proposed device allows to obtain the frequency dependence of the sensitivity in the radiation mode for the graduated emitter, and in the reception mode for the graduated broadband sound pressure receiver. The extension of the calibration frequency range is ensured by processing in the device acoustic signals generated due to the interaction and self-action of acoustic waves of finite amplitude during propagation of elastic properties in a medium with nonlinearity, i.e. generated by a "virtual" radiating parametric antenna, which is used as a reference emitter of ultrasonic waves. The developed theory of a parametric antenna allows one to fairly accurately calculate the characteristics necessary for calibration, in particular, the sound pressure amplitudes of the spectral components of a polyharmonic acoustic field: biharmonic f 1 , f 2 medium power pump with a transverse amplitude distribution close to Gaussian, low frequency F = | f 2 - f 1 | and high-frequency 2f 1 , f + , 2f 2 signals. The preferred area of use is sonar.
Известно устройство для относительной градуировки методом сличения электроакустических преобразователей - излучателей звука и приемников звукового давления (см. Справочник по гидроакустике. - Л. «Судостроение», 1982, с.218-219), содержащее генератор непрерывных колебаний, импульсный модулятор, усилитель мощности, первый измеритель амплитуды, излучающий преобразователь, акустически связанный через среду распространения с двумя приемными преобразователями - образцовым и испытуемым, переключатель, предварительный усилитель, полосовой фильтр, временной селектор, второй измеритель амплитуды, регистратор.A device for relative calibration by comparing electro-acoustic transducers - sound emitters and sound pressure receivers (see. Reference on hydroacoustics. - L. "Shipbuilding", 1982, S. 218-219), containing a continuous oscillator, pulse modulator, power amplifier, the first amplitude meter, emitting transducer, acoustically connected through the propagation medium with two receiving transducers - an exemplary and a test one, a switch, a preamplifier, a bandpass filter , time selector, second amplitude meter, recorder.
Устройство работает следующим образом. На электроакустический преобразователь поступает электрический радиоимпульсный сигнал с заданной амплитудой U1 и частотой f.i=ωi/2π (i=1, 2, …, - количество проводимых измерений), перестраиваемой в полосе пропускания, который излучает акустический импульс в среду распространения. Образцовый и градуируемый преобразователи, обладающие чувствительностями по давлению - известной M0(fi) и неизвестной MX(fi) соответственно, являются приемниками звукового давления, расположены рядом на акустической оси излучающего преобразователя в его дальней зонеThe device operates as follows. An electro-acoustic transducer receives an electric radio pulse signal with a given amplitude U1 and frequency f .i = ω i / 2π (i = 1, 2, ..., is the number of measurements taken), tunable in the passband that emits an acoustic pulse into the propagation medium. Exemplary and graduated transducers having pressure sensitivities - known M 0 (fi) and unknown M X (fi), respectively, are sound pressure receivers located nearby on the acoustic axis of the radiating transducer in its far zone
т.е. на удалении, большем длины дифракционной расходимости lД акустического пучка (D=2a - диаметр излучающего преобразователя, ωi - циклическая частота i-того возбуждающего сигнала, c0 - равновесное значение скорости звука в среде). Необходимость выполнения условия (1) определяется тем, что поле излучения источника формируется в результате интерференции волновых процессов, приходящих в место расположения образцового и градуируемого преобразователей от различных участков колеблющейся поверхности излучателя, причем, в ближней прожекторной зоне (зоне Френеля) протяженностью lДi при равномерном (поршневом) амплитудном распределении поперек апертуры уровень звукового давления на акустической оси излучателя флюктуирует между минимальным и максимальным значениями (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры - Л.: Судостроение, 1986. - с.92-93.). Образцовый и градуируемый преобразователи преобразуют достигший их акустический импульс в электрические сигналы с амплитудами U0(fi) и UX(fi), которые после стробирования, фильтрации и усиления фиксируются вторым измерителем амплитуды и регистратором. Это позволит исследователю для необходимых спектральных составляющих (fi) частотного диапазона измерений рассчитать значения:those. at a distance greater than the length of the diffraction divergence l D of the acoustic beam (D = 2 a is the diameter of the emitting transducer, ω i is the cyclic frequency of the i-th exciting signal, c 0 is the equilibrium value of the speed of sound in the medium). The need to fulfill condition (1) is determined by the fact that the radiation field of the source is formed as a result of the interference of wave processes arriving at the location of the model and graduated transducers from different parts of the oscillating surface of the emitter, moreover, in the near projection zone (Fresnel zone) of length l Di with uniform (piston) amplitude distribution across the aperture the sound pressure level on the acoustic axis of the emitter fluctuates between the minimum and maximum values (s m.Kobyakov Yu.S., Kudryavtsev N.N., Timoshenko V.I. Construction of hydroacoustic fish-finding equipment - L.: Shipbuilding, 1986. - p. 92-93.). The exemplary and graduated transducers convert the acoustic impulse that reaches them into electric signals with amplitudes U 0 (fi) and U X (fi) , which, after gating, filtering, and amplification, are recorded by a second amplitude meter and recorder. This will allow the researcher to calculate the values for the necessary spectral components (fi) of the frequency range of measurements:
1) Чувствительности по давлению в режиме приема для градуируемого преобразователя1) Pressure sensitivity in receive mode for graduated transducer
2) чувствительности преобразователя в режиме излучения2) transducer sensitivity in radiation mode
где P(fi)=U0(fi)/M0(fi) - величины звукового давления в точке приема, измеренные образцовым приемным преобразователем.where P (fi) = U 0 (fi) / M 0 (fi) are the sound pressure values at the receiving point, measured by the model receiving transducer.
Данное устройство имеет недостатки и ограничения в применении:This device has disadvantages and limitations in use:
1) для проведения измерений необходим образцовый приемный преобразователь, причем, точность измерений ограничивается погрешностью выполнения градуировки образцового преобразователя;1) to carry out measurements, an exemplary receiving transducer is required, moreover, the accuracy of measurements is limited by the accuracy of the calibration of the exemplary transducer;
2) чувствительность по давлению в режиме приема образцового преобразователя является нестабильной во времени, что требует осуществления его поверки с помощью абсолютных способов;2) the pressure sensitivity in the reception mode of the reference transducer is unstable in time, which requires the implementation of its verification using absolute methods;
3) рабочий диапазон частот устройства ограничен рабочими диапазонами как образцового, так и излучающего преобразователей, причем, для работоспособности устройства в широком диапазоне частот необходимо несколько образцовых преобразователей;3) the operating frequency range of the device is limited to the operating ranges of both the model and emitting transducers, moreover, for the operability of the device in a wide frequency range, several model transducers are needed;
4) при проведении относительной градуировки методом сличения соблюдается единство времени проведения измерений, т.к. оба приемника одновременно подвергаются облучению звуком, но не выполняется условие единства места их расположения - это требует учета как направленных свойств излучателя и приемников, так и влияния отражающих поверхностей, что снижает точность измерений;4) when carrying out relative calibration by the method of comparison, the unity of the measurement time is observed, because both receivers are simultaneously exposed to sound, but the condition for the unity of their location is not fulfilled - this requires taking into account both the directed properties of the emitter and receivers, and the influence of reflective surfaces, which reduces the accuracy of measurements;
5) в пределах протяженного участка ближней зоны дифракции излучающего преобразователя применение устройства дает существенную погрешность измерений;5) within the extended section of the near diffraction zone of the emitting transducer, the use of the device gives a significant measurement error;
6) не рассмотрена возможность расширения частотного диапазона устройства за счет практического использования нелинейного эффекта самовоздействия в акустическом поле излучающего преобразователя, возникающего при распространении интенсивной звуковой волны, так как полоса пропускания фильтра совпадает только с диапазоном рабочих частот излучающего преобразователя. Между тем, в результате изменения упругих свойств нелинейной водной среды в области распространения мощного акустического сигнала происходит искажение волнового профиля (самовоздействие), т.е. перераспределение энергии интенсивной ультразвуковой волны по частотной оси «вверх» - генерация высших гармонических компонент волны конечной амплитуды (см. Гидроакустическая энциклопедия. - Таганрог, Издательство ТРТУ. 1999, с.389-402).6) the possibility of expanding the frequency range of the device due to the practical use of the nonlinear effect of self-action in the acoustic field of the emitting transducer arising from the propagation of an intense sound wave, since the filter passband coincides only with the operating frequency range of the emitting transducer, has not been considered. Meanwhile, as a result of a change in the elastic properties of a nonlinear aqueous medium in the region of propagation of a powerful acoustic signal, the wave profile is distorted (self-action), i.e. redistribution of energy of an intense ultrasonic wave along the “up” frequency axis — generation of higher harmonic components of a wave of finite amplitude (see Hydroacoustic Encyclopedia. - Taganrog, TRTU Publishing House. 1999, p.389-402).
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности устройства вследствие отсутствия учета нелинейных упругих свойств водной среды и за счет использования образцового приемного преобразователя, что снижает как точность, так и частотный диапазон измерений.The reasons that impede the achievement of the claimed technical result are the limited operational capabilities of the device due to the lack of consideration of nonlinear elastic properties of the aquatic environment and due to the use of an exemplary receiving transducer, which reduces both the accuracy and the frequency range of measurements.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор непрерывных колебаний, усилитель мощности, измеритель амплитуды, электроакустический излучающий преобразователь, акустически связанный через среду распространения с приемным градуируемым преобразователем.Signs that coincide with the claimed object: a continuous oscillator, a power amplifier, an amplitude meter, an electro-acoustic emitting transducer, acoustically coupled through a propagation medium to a receiving graduated transducer.
Известно устройство для абсолютной градуировки приемников ультразвука, которое описано в А.с. СССР №119025, МКИ H04R 29/00, Б.И. №7, 1959 г. «Способ определения частотных и фазовых характеристик приемников ультразвука», содержащее генератор непрерывных колебаний, импульсный модулятор, усилитель мощности, измеритель амплитуды, излучающий преобразователь, акустически связанный через среду распространения с градуируемым приемным преобразователем, временной селектор, осциллограф с фотоприставкой, механический анализатор формы электрического сигнала (анализатор Мадера).A device for the absolute calibration of ultrasound receivers, which is described in A.S. USSR No. 119025, MKI H04R 29/00, B.I. No. 7, 1959, “A method for determining the frequency and phase characteristics of ultrasound receivers”, comprising a continuous oscillator, a pulse modulator, a power amplifier, an amplitude meter, a radiating transducer, acoustically coupled through a propagation medium with a graduated receiving transducer, a time selector, an oscilloscope with a photo attachment , a mechanical analyzer of the shape of an electric signal (Madera analyzer).
Устройство работает следующим образом. На электроакустический преобразователь поступает электрический радиоимпульсный сигнал с заданной амплитудой U1 и частотой f.i (i=1, 2, … - количество проводимых измерений), находящейся в его полосе пропускания, который излучает мощный акустический импульс в среду распространения, например, в воду. В результате изменения упругих свойств нелинейной водной среды в области распространения мощного акустического сигнала происходит искажение волнового профиля до пилообразной формы (самовоздействие), т.е. перераспределение энергии интенсивной ультразвуковой волны по частотной оси «вверх» - генерация высших гармонических компонент волны конечной амплитуды (см. Гидроакустическая энциклопедия. - Таганрог, Издательство ТРТУ. 1999, с.389-402). Для определения значения чувствительности в режиме приема градуируемый преобразователь располагают в ближней зоне излучателя, в пределах распространения квазиплоской волны накачки, а именно на расстоянии образования «идеальной» пилы, рассчитываемом по формулеThe device operates as follows. An electro-acoustic transducer receives an electric radio pulse signal with a given amplitude U1 and frequency f .i (i = 1, 2, ... is the number of measurements taken) located in its passband, which emits a powerful acoustic pulse into the propagation medium, for example, into water. As a result of a change in the elastic properties of a nonlinear aqueous medium in the region of propagation of a powerful acoustic signal, the wave profile is distorted to a sawtooth shape (self-action), i.e. redistribution of energy of an intense ultrasonic wave along the “up” frequency axis — generation of higher harmonic components of a wave of finite amplitude (see Hydroacoustic Encyclopedia. - Taganrog, TRTU Publishing House. 1999, p.389-402). To determine the sensitivity value in the receiving mode, the graduated transducer is placed in the near zone of the emitter, within the propagation of a quasi-plane pump wave, namely, at the distance of formation of the “ideal” saw, calculated by the formula
где c0, ρ0 - равновесные значения скорости звука и плотности среды распространения, K - коэффициент (для воды равен 7,15), P - амплитуда звукового давления излучаемой плоской волны. Данное устройство позволяет получать результаты при выполнении следующих условий: градуируемый приемный преобразователь имеет малые размеры по сравнению с поперечным масштабом звукового пучка накачки, находится на акустической оси излучающего преобразователя в его ближней зоне, причем, длина дифракционной расходимости lД пучка на частоте накачки значительно превышает длину образования разрыва lp. Широкополосный градуируемый преобразователь, обладающий чувствительностью по давлению MX(fi) является приемником звукового давления и преобразует достигший его акустический импульс в электрический радиоимпульсный сигнал с амплитудой UX(fi), который после стробирования и усиления индицируется на экране осциллографа, причем, форма «пилообразного» высокочастотного заполнения радиоимпульса анализируется с помощью анализатора Мадера.where c 0 , ρ 0 are the equilibrium values of the speed of sound and the density of the propagation medium, K is the coefficient (for water it is 7.15), P is the amplitude of the sound pressure of the emitted plane wave. This device allows you to obtain results when the following conditions are met: the graduated receiving transducer is small in comparison with the transverse scale of the sound pump beam, is located on the acoustic axis of the emitting transducer in its near field, and the length of the diffraction divergence l D of the beam at the pump frequency significantly exceeds the length rupture formation l p . A broadband calibrated transducer with a pressure sensitivity M X (fi) is a sound pressure receiver and converts the acoustic pulse that has reached it into an electric radio pulse signal with an amplitude U X (fi) , which, after gating and amplification, is displayed on the oscilloscope screen, moreover, the shape is “sawtooth” »High-frequency radio pulse filling is analyzed using a Madera analyzer.
Механический анализ полученных осциллограмм, в частности, сопоставление со спектральным составом напряжения «идеальной пилы» на частоте накачки, позволяет исследователю для необходимых спектральных составляющих (fi) частотного диапазона измерений рассчитать по полученным соотношениям значения чувствительности по давлению в режиме приема MX(fi) для градуируемого преобразователя.A mechanical analysis of the obtained oscillograms, in particular, comparison with the spectral composition of the voltage of the “ideal saw” at the pump frequency, allows the researcher to calculate the pressure sensitivity values in the reception mode M X (fi) for the necessary spectral components (fi) of the frequency range of measurements for graduated transducer.
Данное устройство имеет недостатки и ограничения в применении:This device has disadvantages and limitations in use:
1) излучающий преобразователь устройства должен быть предварительно отградуирован по чувствительности в режиме излучения в широкой полосе частот;1) the radiating converter of the device must be pre-calibrated for sensitivity in the radiation mode in a wide frequency band;
2) усложняет процесс измерений и снижает его точность то, что при перестройке частоты fi возбуждения излучающего преобразователя необходимо изменять его уровень излучения с той целью, чтобы расстояние между излучающим и приемным преобразователями оставалось равным lp (см соотношение (4);2) complicates the measurement process and reduces its accuracy in that when tuning the excitation frequency f i of the emitting converter, it is necessary to change its radiation level so that the distance between the emitting and receiving converters remains equal to l p (see relation (4);
3) обеспечение измерений требует излучения высокоинтенсивных волн накачки, что обусловливает «тяжелый» режим работы пьезокерамики излучателя в условиях повышенных механических и электрических нагрузок, т.е. снижается стабильность ее параметров, надежность и долговечность, может привести к проявлению нелинейной зависимости деформации от электрического возбуждающего поля;3) the provision of measurements requires the emission of high-intensity pump waves, which determines the “heavy” mode of operation of the piezoelectric ceramics of the emitter under conditions of increased mechanical and electrical loads, i.e. the stability of its parameters decreases, reliability and durability can lead to the manifestation of a nonlinear dependence of deformation on the electric exciting field;
4) погрешность измерений по данному способу обусловлена наличием у реальных нелинейных сред (вода, газы, металлы) частотнозависимых коэффициентов затухания, в результате чего спектральный состав пилообразной акустической волны не будет соответствовать спектру «идеальной пилы».4) the measurement error by this method is due to the presence of frequency-dependent attenuation coefficients in real nonlinear media (water, gases, metals), as a result of which the spectral composition of the sawtooth acoustic wave will not correspond to the spectrum of an “ideal saw”.
5) погрешность косвенных измерений амплитуд звуковых давлений в пределах ближней зоны (зоны Френеля) поршневого излучающего преобразователя обусловлена сложным флуктуирующим характером акустического поля: количество переходов от минимума до максимума величины звукового давления зависит от волновых размеров апертуры, при отклонении от оси излучателя распределение амплитуд звукового давления существенно изменяется (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986. - с.92-93.);5) the error of indirect measurements of the amplitudes of sound pressures within the near zone (Fresnel zone) of the piston emitting transducer is due to the complex fluctuating nature of the acoustic field: the number of transitions from the minimum to the maximum sound pressure depends on the wave size of the aperture, when the deviation from the axis of the emitter is the distribution of sound pressure amplitudes changes significantly (see Kobyakov Yu.S., Kudryavtsev N.N., Timoshenko V.I. Construction of hydroacoustic fish-finding equipment. - L .: Sudostro Eden, 1986. - p. 92-93.);
6) устройство не обеспечивает проведение измерений в низкочастотном диапазоне, являясь пригодным лишь для градуировки широкополосных приемников звукового давления мегагерцового диапазона.6) the device does not provide measurements in the low-frequency range, being suitable only for calibration of broadband receivers of sound pressure in the megahertz range.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности устройства вследствие учета только нелинейного эффекта самовоздействия мощной акустической волны накачки, что снижает как точность, так и частотный диапазон измерений.The reasons that impede the achievement of the claimed technical result are the limited operational capabilities of the device due to taking into account only the nonlinear effect of self-action of a powerful acoustic pump wave, which reduces both the accuracy and the frequency range of measurements.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор непрерывных колебаний, усилитель мощности, измеритель амплитуды, электроакустический излучающий преобразователь, акустически связанный через среду распространения с приемным градуируемым преобразователем.Signs that coincide with the claimed object: a continuous oscillator, a power amplifier, an amplitude meter, an electro-acoustic emitting transducer, acoustically coupled through a propagation medium to a receiving graduated transducer.
В качестве прототипа выбрано устройство для абсолютной калибровки широкополосных гидрофонов (см. В.Г.Андреев, А.А.Карабутов, О.В.Руденко Метод калибровки широкополосных гидрофонов в ультразвуковых пучках конечной амплитуды. - Вестн. Моск. ун-та, сер.3. Физика, астрономия, 1984, т.25, №4, с 74-77), содержащее генератор непрерывных колебаний, импульсный модулятор, усилитель мощности, измеритель амплитуды, излучающий преобразователь, акустически связанный через среду распространения с градуируемым приемным преобразователем, временной селектор, осциллограф с фотоприставкой, микроскоп.A device for absolute calibration of broadband hydrophones was selected as a prototype (see V.G. Andreev, A.A. Karabutov, O.V. Rudenko Method for calibrating broadband hydrophones in ultrasonic beams of finite amplitude. - Vestn. Mosk. Un-that, ser .3 Physics, Astronomy, 1984, v.25, No. 4, pp. 74-77), comprising a continuous oscillator, a pulse modulator, a power amplifier, an amplitude meter, an emitting transducer, acoustically coupled through a propagation medium with a graduated receiving transducer, time selector, oscillator cillograph with fotopristavkoy microscope.
Устройство работает следующим образом. На электроакустический преобразователь поступает электрический радиоимпульсный сигнал с заданной амплитудой U1 и частотой f.i (i=1, 2, … - количество проводимых измерений), перестраиваемой в его полосе пропускания, который излучает акустический импульс в среду распространения, например, в воду. В результате изменения упругих свойств нелинейной водной среды в области распространения мощного акустического сигнала происходит искажение волнового профиля до пилообразной формы (самовоздействие), т.е. перераспределение энергии интенсивной ультразвуковой волны по частотной оси «вверх» - генерация высших гармонических компонент волны конечной амплитуды (см. Гидроакустическая энциклопедия. - Таганрог, Издательство ТРТУ. 1999, с.389-402). Для излучающего преобразователя выбрано равномерное амплитудное распределением поперек апертуры, так как эффективность генерации высокочастотных компонент спектра в значительной степени обусловлена интенсивностью излучаемой волны накачки, которая задается способностью излучателя концентрировать акустическую энергию в заданном направлении, т.е. его коэффициентом осевой концентрации, величина которого максимальна именно для поршневого источника (см. Справочник по гидроакустике. - Л. «Судостроение», 1982, с.178-190). Конструкции измерительных приемников ультразвука, используемых для исследования высокочастотных акустических полей описаны в литературе. Например, в качестве градуируемого приемного миниатюрного широкополосного приемника может быть использован гидрофон, активный элемент которого изготовлен из пьезокерамической пленки толщиной 10 мкм с поперечным размером 1,1 мм, чувствительность которого не зависит от частоты вплоть до резонанса (до 108 Гц), а фазовая характеристика линейна в рабочем диапазоне частот (см. Касьянов Д.А., Курин В.В., Редкозубов В.В. Об одном методе абсолютной калибровки миниатюрных пьезоэлектрических приемников ультразвука // Труды Научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2004, с.184-185). Градуируемый преобразователь обладает неизменной чувствительностью по давлению MX(fi) в широком диапазоне частот (до 6fi) и в процессе измерений последовательно располагается на акустической оси излучателя для удалений z, изменяемых в пределах (3-15) длин зоны дифракции lД. Градуируемый преобразователь, обладающий чувствительностью по давлению MX(fi) является приемником звукового давления и преобразует достигший его акустический импульс в электрический сигнал с амплитудой UX(fi), который после стробирования и усиления индицируется на экране осциллографического индикатора, причем, для различных удалений электрические сигналы, соответствующие принятому акустическому с пилообразным волновым профилем, регистрировались на фотопленку. По мнению авторов, параметром, характеризующим степень проявления нелинейных эффектов, является скорость изменения звукового давления со временем на прямолинейном спадающем участке волнового профиля. Измерения угла наклона данного участка профиля производились с помощью микроскопа. Анализ полученных фотографий, в частности, динамика изменения угла наклона фронта пилообразного профиля относительно горизонтальной оси развертки, позволяет исследователю для необходимых спектральных составляющих (fi) частотного диапазона измерений рассчитать по опубликованным в статье соотношениям значения чувствительности по давлению в режиме приема MX(fi) для градуируемого преобразователя.The device operates as follows. An electro-acoustic transducer receives an electric radio pulse signal with a given amplitude U1 and frequency f .i (i = 1, 2, ... is the number of measurements taken), tunable in its passband, which emits an acoustic pulse into the propagation medium, for example, into water. As a result of a change in the elastic properties of a nonlinear aqueous medium in the region of propagation of a powerful acoustic signal, the wave profile is distorted to a sawtooth shape (self-action), i.e. redistribution of energy of an intense ultrasonic wave along the “up” frequency axis — generation of higher harmonic components of a wave of finite amplitude (see Hydroacoustic Encyclopedia. - Taganrog, TRTU Publishing House. 1999, p.389-402). A uniform amplitude distribution across the aperture was chosen for the emitting transducer, since the generation efficiency of the high-frequency components of the spectrum is largely determined by the intensity of the emitted pump wave, which is determined by the emitter's ability to concentrate acoustic energy in a given direction, i.e. its axial concentration coefficient, the value of which is maximum for a piston source (see the Handbook of hydroacoustics. - L. “Sudostroenie”, 1982, p.178-190). The design of ultrasonic measuring receivers used to study high-frequency acoustic fields is described in the literature. For example, a hydrophone can be used as a calibrated receiving miniature broadband receiver, the active element of which is made of a 10 μm thick piezoceramic film with a transverse size of 1.1 mm, the sensitivity of which does not depend on the frequency up to resonance (up to 10 8 Hz), and the phase the characteristic is linear in the working frequency range (see Kasyanov D.A., Kurin V.V., Redkozubov V.V.On one method for absolute calibration of miniature piezoelectric ultrasound receivers // Transactions of the Radio Scientific Conference Isik, the UNN, 2004 s.184-185). The calibrated transducer has a constant pressure sensitivity M X (fi) over a wide frequency range (up to 6f i ) and, in the course of measurements, is sequentially located on the acoustic axis of the emitter for z offs that vary within (3-15) diffraction zone lengths l D. A calibrated transducer with a pressure sensitivity M X (fi) is a sound pressure receiver and converts the acoustic pulse that has reached it into an electric signal with amplitude U X (fi) , which, after gating and amplification, is displayed on the screen of the oscilloscope, moreover, for various distances the signals corresponding to the received acoustic with a sawtooth wave profile were recorded on film. According to the authors, the parameter characterizing the degree of manifestation of nonlinear effects is the rate of change of sound pressure over time in a straight-line declining section of the wave profile. Measurements of the angle of inclination of this section of the profile were made using a microscope. The analysis of the obtained photographs, in particular, the dynamics of the change in the angle of inclination of the sawtooth profile relative to the horizontal axis of the sweep, allows the researcher to calculate the pressure sensitivity values in the reception mode M X (fi) for the necessary spectral components (fi) of the frequency range of measurements for graduated transducer.
Данное устройство имеет недостатки и ограничения в применении:This device has disadvantages and limitations in use:
1) трудоемкость аналитических расчетов чувствительности по давлению в режиме приема MX(fi) для градуируемого преобразователя;1) the complexity of analytical calculations of pressure sensitivity in the reception mode M X (fi) for the graduated transducer;
2) погрешность прямых измерений величин при анализе фотографий пилообразных волновых фронтов;2) the error of direct measurements of quantities in the analysis of photographs of sawtooth wave fronts;
3) снижение точности проводимых измерений за счет дифракционных погрешностей, появляющихся при механических перемещениях градуируемого преобразователя;3) a decrease in the accuracy of measurements due to diffraction errors that occur during mechanical movements of the graduated transducer;
4) обеспечение измерительного режима требует излучения высокоинтенсивных волн накачки (расстояние образования разрыва - от 45 см до 10 см), что обусловливает работу пьезокерамики излучателя в условиях повышенных механических и электрических нагрузок (на пьезодиск диаметром 30 мм с резонансной частотой 1 МГц подавалось до 320 Вольт), т.е. снижает стабильность его параметров, надежность и долговечность;4) ensuring the measuring mode requires the emission of high-intensity pump waves (the gap is from 45 cm to 10 cm), which determines the operation of the piezoceramics of the emitter under conditions of increased mechanical and electrical loads (up to 320 volts were applied to a piezo disc with a diameter of 30 mm with a resonant frequency of 1 MHz ), i.e. reduces the stability of its parameters, reliability and durability;
5) продольный размер гидроакустического канала (от 45 см до 140 см) устройства включает в себя протяженный участок ближней зоны дифракции (40-45 см) излучающего преобразователя, в пределах которого работа устройства затруднена ввиду резкой неоднородности градуировочного ультразвукового поля;5) the longitudinal size of the hydroacoustic channel (from 45 cm to 140 cm) of the device includes an extended section of the near diffraction zone (40-45 cm) of the radiating transducer, within which the operation of the device is difficult due to the sharp inhomogeneity of the calibration ultrasonic field;
6) условие сравнимости расстояний проявления нелинейных и дифракционных эффектов при работе устройства не обеспечивает проведение измерений в низкочастотном диапазоне (на частотах ниже 200 кГц).6) the condition of comparability of the distances of manifestation of nonlinear and diffraction effects during operation of the device does not provide measurements in the low-frequency range (at frequencies below 200 kHz).
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности устройства вследствие использования для градуировки только нелинейного эффекта самовоздействия мощной акустической волны накачки, что уменьшает частотный диапазон измерений.The reason that impedes the achievement of the claimed technical result is the limited operational capabilities of the device due to the use of a nonlinear effect of self-action of a powerful acoustic pump wave for calibration, which reduces the frequency range of measurements.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор непрерывных колебаний, усилитель мощности, измеритель амплитуды, электроакустический излучающий преобразователь, акустически связанный через среду распространения с приемным градуируемым преобразователем.Signs that coincide with the claimed object: a continuous oscillator, a power amplifier, an amplitude meter, an electro-acoustic emitting transducer, acoustically coupled through a propagation medium to a receiving graduated transducer.
Между тем, в число нелинейных эффектов в мощном акустическом поле, изменяющем свойства водной среды, входит нелинейное взаимодействие нескольких распространяющихся волн конечной амплитуды, например, бигармонической накачки с частотами f1, f2, т.е. формирование «виртуальной» излучающей параметрической антенны, основные положения и выводы теории которой подробно описаны (см. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с). Излучающая параметрическая антенна может быть использована в качестве многочастотного образцового источника, так как позволяет формировать однородное полигармоническое акустическое поле как бигармонической f1, f2 накачки средней мощности с близким к гауссову поперечным амплитудным распределением, так и генерируемых в нелинейной водной среде низкочастотных F=|f2-f1| и высокочастотных 2f1, f+, 2f2 компонент спектра, осевые и угловые распределения амплитуд звуковых давлений которых рассчитываются по известным соотношениям (см. Волощенко В.Ю., Тимошенко В.И. Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения. (ч.1) - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - 294 с.).Meanwhile, nonlinear effects in a powerful acoustic field that changes the properties of an aqueous medium include nonlinear interaction of several propagating waves of finite amplitude, for example, biharmonic pumping with frequencies f 1 , f 2 , i.e. the formation of a “virtual” radiating parametric antenna, the main provisions and conclusions of the theory of which are described in detail (see Novikov B.K., Rudenko O.V., Timoshenko V.I. Nonlinear hydroacoustics. - L.: Shipbuilding, 1981. - 264 p. ) A radiating parametric antenna can be used as a multi-frequency reference source, since it allows the formation of a homogeneous polyharmonic acoustic field of both a biharmonic f 1 , f 2 medium power pump with a transverse amplitude distribution close to a Gaussian, and low-frequency generated in a nonlinear aqueous medium F = | f 2 -f 1 | and high-frequency 2f 1 , f + , 2f 2 components of the spectrum, the axial and angular distributions of the amplitudes of sound pressures of which are calculated according to well-known relationships (see Voloshchenko V.Yu., Timoshenko V.I. Parametric sonar aids for near-field observation. (Part 1 ) - Taganrog: Publishing House of TTI SFU, 2009. - 294 p.).
Задачей полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей устройства за счет применения режима параметрического излучения и проведения измерений на нескольких рабочих частотах, что позволит осуществлять абсолютную градуировку акустических преобразователей в режимах как излучения, так и приема.The objective of the utility model is to expand the operational capabilities of the device through the use of parametric radiation mode and measurements at several operating frequencies, which will allow absolute calibration of acoustic transducers in both radiation and reception modes.
Технический результат полезной модели заключается в расширении частотного диапазона измерений устройства для абсолютной градуировки акустических преобразователей, позволяющем определять их чувствительности как в режиме излучения, так и приема.The technical result of the utility model is to expand the frequency range of the device’s measurements for the absolute calibration of acoustic transducers, which allows determining their sensitivity both in the radiation and reception modes.
Технический результат достигается тем, что в устройство для абсолютной градуировки приемников ультразвука, содержащее генератор непрерывных колебаний, усилитель мощности, измеритель амплитуды, излучающий преобразователь, акустически связанный через среду распространения с градуируемым приемным преобразователем, дополнительно введены второй генератор непрерывных колебаний, хронизатор-модулятор, широкополосный усилитель, анализатор спектра, решающее устройство и блок управления; выходы обоих генераторов непрерывных колебаний соединены с двумя сигнальными входами хронизатора-модулятора, выход которого соединен со входом усилителя мощности, дополнительный вход хронизатора-модулятора соединен с выходом приемного преобразователя; дополнительный выход хронизатора-модулятора через последовательно включенные широкополосный усилитель, анализатор спектра соединен со входом решающего устройства; управляющие входы обоих генераторов непрерывных колебаний, хронизатора-модулятора, измерителя амплитуды, анализатора спектра и решающего устройства соединены с соответствующими выходами блока управления, причем, излучающий преобразователь формирует в водной среде акустический пучок накачки с близким к гауссовому поперечным распределением амплитуды звукового давления.The technical result is achieved by the fact that in the device for the absolute calibration of ultrasound receivers containing a continuous oscillator, a power amplifier, an amplitude meter, a radiating transducer, acoustically coupled through a propagation medium with a graduated receiving transducer, a second continuous oscillator, a chronizer-modulator, and broadband are additionally introduced amplifier, spectrum analyzer, solver and control unit; the outputs of both continuous oscillators are connected to two signal inputs of the chronizer-modulator, the output of which is connected to the input of the power amplifier, an additional input of the chronizer-modulator is connected to the output of the receiving transducer; an additional output of the chronizer-modulator through a serially connected broadband amplifier, a spectrum analyzer is connected to the input of the resolving device; the control inputs of both continuous oscillators, a chronizer-modulator, an amplitude meter, a spectrum analyzer, and a resolver are connected to the corresponding outputs of the control unit, moreover, the emitting transducer forms an acoustic pump beam in an aqueous medium with a close to Gaussian transverse distribution of the sound pressure amplitude.
Введенные блоки в совокупности с описанными связями позволят расширить эксплуатационные возможности устройства за счет применения режима параметрического излучения и проведения измерений как в низко-, так и в высокочастотном диапазонах, что позволит осуществлять на нескольких рабочих частотах одновременно абсолютную градуировку акустических преобразователей в режимах как излучения (f1, f2), так и приема (f1, f2, F=|f2-f1|, 2f1, f+, 2f2), причем, частоты накачки f1, f2 входят в полосу пропускания излучающего акустического преобразователя.The introduced units together with the described connections will allow expanding the operational capabilities of the device due to the application of the parametric radiation mode and carrying out measurements in both the low and high frequency ranges, which will allow for absolute calibration of acoustic transducers in both radiation modes at several operating frequencies (f 1 , f 2 ), as well as reception (f 1 , f 2 , F = | f 2 -f 1 |, 2f 1 , f + , 2f 2 ), moreover, the pump frequencies f 1 , f 2 enter the passband of the radiating acoustic transducer.
На фиг.1. представлена структурная схема установки для абсолютной градуировки излучающих и приемных акустических преобразователей, фиг.2 иллюстрирует сопоставление графиков нормированного распределения Er/Er max электрического поля возбуждающего сигнала (1) поперек излучающей поверхности преобразователя при Д/Т=3 и функции Гаусса (2) при В=0,486, фиг.3 - спектрограмма полигармонического акустического сигнала f1=415 кГц, f2=435 кГц, F=|f2-f1|=20 кГц, 2f1=830 кГц, f+=850 кГц, 2f2=870 кГц (масштаб по оси частот растянут так, что амплитуда сигнала разностной частоты не попадает в поле зрения, вертикальная ось - логарифмическая шкала слева).In figure 1. presents a structural diagram of the installation for the absolute calibration of the emitting and receiving acoustic transducers, figure 2 illustrates the comparison of the graphs of the normalized distribution E r / E r max of the electric field of the exciting signal (1) across the radiating surface of the transducer at D / T = 3 and the Gaussian function (2) at B = 0.486, figure 3 is a spectrogram of a polyharmonic acoustic signal f 1 = 415 kHz, f 2 = 435 kHz, F = | f 2 -f 1 | = 20 kHz, 2f 1 = 830 kHz, f + = 850 kHz, 2f 2 = 870 kHz (the frequency axis is stretched out so that the amplitude of the difference frequency signal is not pop results in the field of view, the vertical axis - a logarithmic scale on the left).
Устройство для абсолютной градуировки акустических излучающих и приемных преобразователей в широкой полосе частот (фиг.1) функционально объединяет тракты:A device for the absolute calibration of acoustic emitting and receiving transducers in a wide frequency band (Fig. 1) functionally combines the paths:
1) излучения - генераторы непрерывных колебаний 1, 2 соединены через последовательно включенные хронизатор-модулятор 3 (канал импульсного модулятора), усилитель мощности 4 с измерителем амплитуды электрического радиоимпульсного сигнала 6 и излучающим электроакустическим преобразователем 5, конструктивное исполнение которого позволяет формировать в водной среде 7 акустический пучок накачки с близким к гауссовому поперечным распределением амплитуды звукового давления;1) radiation - continuous oscillation generators 1, 2 are connected through sequentially connected chroniser-modulator 3 (pulse modulator channel), power amplifier 4 with an amplitude meter for electric radio pulse signal 6 and a radiating electro-acoustic transducer 5, the design of which allows you to form acoustic a pump beam with a close to Gaussian transverse distribution of the amplitude of sound pressure;
2) приема - миниатюрный широкополосный приемник звукового давления 8, обладающий линейной частотной зависимостью чувствительности в широком диапазоне частот, соединен через хронизатор-модулятор 3 (канал стробирования в приеме), широкополосный усилитель 10, анализатор спектра 11 с решающим устройством 12;2) reception - a miniature broadband sound pressure receiver 8, having a linear frequency dependence of sensitivity in a wide range of frequencies, is connected through a chrono-modulator 3 (gating channel in reception), a broadband amplifier 10, a spectrum analyzer 11 with a resolving device 12;
3) управления функционированием блоков устройства - выходы блока управления 9 соединены с соответствующими управляющими входами генераторов непрерывных колебаний 1 и 2, хронизатора-модулятора 3, измерителя амплитуды 6, анализатора спектра 11 и решающего устройства 12.3) control the functioning of the units of the device - the outputs of the control unit 9 are connected to the corresponding control inputs of the generators of continuous oscillations 1 and 2, the chroniser-modulator 3, the amplitude meter 6, the spectrum analyzer 11 and the resolver 12.
Работа устройства для абсолютной градуировки акустических излучающих и приемных преобразователей происходит следующим образом. Генераторы непрерывных колебаний 1 и 2 в излучающем тракте устройства вырабатывают электрические сигналы U1 и U2 с частотами f1 и f2, поступающие на вход хронизатора-модулятора 2, приводящегося в рабочее состояние по команде с блока управления 9, в результате чего на выходе хронизатора-модулятора получаем радиоимпульс U3 с бигармоническим ВЧ заполнением. Частоты f1 и f2 электрических сигналов U1 и U2, образующих сигнал бигармонической накачки, находятся в пределах полосы пропускания излучающего электроакустического преобразователя 5, и при проведении дальнейших замеров могут синхронно перестраиваться с заданным шагом изменения по команде с блока управления 9. Хронизатор-модулятор 3 предназначен для работы в качестве импульсного модулятора и приемного стробирующего устройства при проведении акустических измерений в импульсном режиме в лабораторных и полевых условиях, разработан на кафедре электрогидроакустики и ультразвуковой техники Таганрогского радиотехнического института (см. Т.Н.Горовая, В.В.Гривцов, М.С.Рыбачек. «Хронизатор-модулятор для акустических измерений», междувед. сборник «Прикладная акустика», Вып.VI, Таганрог, ТРТИ, 1978, С.136-142). Выход хронизатора-модулятора 3 через усилитель мощности 4 соединен со входами как излучающего преобразователя 5, который излучает акустический импульс в среду 7, обладающую нелинейностью своих упругих характеристик, так и измерителя амплитуды 6, с помощью последнего измеряется амплитуда U4PE3 результирующего сигнала биений (обычно для каждой частот U4(f1)=U4(f2)=U4PE3/2). При распространении происходит нелинейное взаимодействие и самовоздействие сигналов накачки с частотами f1, f2 в канале распространения, результатом которого является генерация вторичных акустических сигналов как разностной F-=|f2-f1|, так и суммарной f+=f2+f1 частот, вторых гармоник 2f1, 2 волн накачки.The operation of the device for the absolute calibration of acoustic emitting and receiving transducers is as follows. The generators of continuous oscillations 1 and 2 in the emitting path of the device generate electrical signals U1 and U2 with frequencies f 1 and f 2 received at the input of the chronometer-modulator 2, which is brought into operation by a command from the control unit 9, as a result of which modulator we get a U3 radio pulse with biharmonic RF filling. The frequencies f 1 and f 2 of the electrical signals U1 and U2, which form the biharmonic pump signal, are within the passband of the emitting electro-acoustic transducer 5, and during further measurements, they can be synchronously tuned with a given change step by command from the control unit 9. Chronizer-modulator 3 designed to work as a pulse modulator and a receiving gating device when conducting acoustic measurements in a pulsed mode in laboratory and field conditions, developed at the department re of electrohydroacoustics and ultrasonic technology of the Taganrog Radio Engineering Institute (see T.N. Gorovaya, V.V. Grivtsov, M.S. Rybachek. “Chronizer-modulator for acoustic measurements”, international collection “Applied Acoustics”, Issue VI, Taganrog, TRTI, 1978, S.136-142). The output of the chrono-modulator 3 through a power amplifier 4 is connected to the inputs of both the emitting transducer 5, which emits an acoustic pulse to medium 7, which has non-linearity of its elastic characteristics, and amplitude meter 6, using the latter the amplitude U4 PE3 of the resulting beat signal is measured (usually for each frequency U4 (f 1 ) = U4 (f 2 ) = U4 PE3 / 2). During propagation, nonlinear interaction and self-action of pump signals with frequencies f 1 , f 2 in the propagation channel occur, the result of which is the generation of secondary acoustic signals of both difference F - = | f 2 -f 1 | and total f + = f 2 + f 1 frequencies, second harmonics 2f 1, 2 pump waves.
В настоящее время разработаны преобразователи с гауссовым распределением амплитуды звукового давления у излучающей поверхности, конструкционными особенностями которых является использование пьезокерамических пластин с сигнальным электродом как сложной формы: - различные звезды, спирали (см. Hidchins D.A. Field structures of disk transducers with specialized electrode configurations file:////Ultrason.Int.83: Conf. Proc., Halifax, Borough Green, 1983, P.307-312; Кравченко Г.Ф., Максимов B.H. Ультразвуковой преобразователь с регулируемыми распределениями амплитуд смещения // Междувед. тематич. сб. научн. работ. Прикладная акустика. - Таганрог: ТРТИ, 1983. - Вып.10 - с.124-130); - раздельные концентрические кольца, возбуждаемые различными по амплитуде электрическими сигналами, аппроксимирующими гауссово распределение (Zerwekh P.S., Claus R.D. Ultrasonic transducer with Gaussian radial pressure distribution // Proc. IEEE Ultrason. Symp., 1981, №2, P.974-976; 103), так и простой формы: - круг, полоса, который расположен симметрично относительно геометрического центра пьезоэлемента, что создает требуемое поперечное распределение электрического возбуждающего сигнала (Martin F.D., Breazeale М.А. A simple way to eliminate diffraction lobes emitted by ultrasonic transducers // J. Acoust. Soc. Amer., 1971, v.49, №5, p.2, P.1668-1669; Breazeale M.A., Martin F.D., Blackburn B. Reply to "Radiation pattern of partially electroded piezoelectric transducers" // J. Acoust. Soc. Amer., 1981, v.70, №6, P.1791-1793; Du G., Breazeale M.A. Ultrasonic field of a Gaussian transducer // J. Acoust. Soc. Amer., 1985, v.78, №6, P.2083-2086). В последнем источнике описано техническое решение - акустический пучок с близким к гауссовому поперечным распределением амплитуды звукового давления может быть сформирован в водной среде осесимметричным излучателем, на излучающей поверхности которого создано требуемое распределение электрического поля возбуждающего сигнала, достаточно хорошо описываемое гауссовой функцией ~ ехр(-B·r2/a 2), где B=0,486 - коэффициент Гаусса. Данное распределение электрического поля возбуждающего сигнала образуется на излучающей поверхности преобразователя накачки при соблюдении следующего условия: отношение диаметра Д=2a сигнального электрода к толщине T пьезопластины должно быть в пределах 2<Д/Т<4. На фиг.2 представлено сопоставление графиков нормированного распределения Er/Er max электрического поля возбуждающего сигнала (1) поперек излучающей поверхности антенны при Д/Т=3 и функции Гаусса (2) при B=0,486, из которого следует их хорошее соответствие. Здесь по горизонтальной оси отложены значения нормированной поперечной координаты r/a на излучающей поверхности антенны, где a - радиус сигнального электрода.Converters with a Gaussian distribution of the amplitude of sound pressure at the emitting surface have been developed, the design features of which are the use of piezoceramic plates with a signal electrode as a complex shape: - various stars, spirals (see Hidchins DA Field structures of disk transducers with specialized electrode configurations file: ////Ultrason.Int.83: Conf. Proc., Halifax, Borough Green, 1983, P.307-312; Kravchenko G.F., Maksimov BH Ultrasonic transducer with adjustable displacement amplitude distributions // Inter-thematic collection Scientific work. acoustics .-- Taganrog: TRTI, 1983. - Issue 10 - p. 124-130); - separate concentric rings excited by electric signals of various amplitudes approximating the Gaussian distribution (Zerwekh PS, Claus RD Ultrasonic transducer with Gaussian radial pressure distribution // Proc. IEEE Ultrason. Symp., 1981, No. 2, P.974-976; 103 ), and of a simple shape: - a circle, a strip that is located symmetrically with respect to the geometric center of the piezoelectric element, which creates the required transverse distribution of the electric exciting signal (Martin FD, Breazeale MA A simple way to eliminate diffraction lobes emitted by ultrasonic transducers // J. Acoust. Soc. Amer., 1971, v. 49, No. 5, p. 2, P.1668-1669; Breazeale MA, Martin FD, Blackburn B. R eply to "Radiation pattern of partially electroded piezoelectric transducers" // J. Acoust. Soc. Amer., 1981, v. 70, No. 6, P.1791-1793; Du G., Breazeale MA Ultrasonic field of a Gaussian transducer / / J. Acoust. Soc. Amer., 1985, v. 78, No. 6, P.2083-2086). The last source describes a technical solution - an acoustic beam with a transverse distribution of sound pressure amplitude close to the Gaussian one can be formed in an aqueous medium by an axisymmetric radiator, on the radiating surface of which the required distribution of the electric field of the exciting signal is created, which is fairly well described by the Gaussian function ~ exp (-B r 2 / a 2 ), where B = 0.486 is the Gaussian coefficient. This distribution of the electric field of the exciting signal is formed on the radiating surface of the pump transducer under the following conditions: the ratio of the diameter D = 2 a of the signal electrode to the thickness T of the piezoelectric plate should be within 2 <D / T <4. Figure 2 presents a comparison of the graphs of the normalized distribution E r / E r max of the electric field of the exciting signal (1) across the radiating surface of the antenna at D / T = 3 and the Gaussian function (2) at B = 0.486, from which their good correspondence follows. Here, the normalized lateral coordinate r / a on the radiating surface of the antenna is plotted along the horizontal axis, where a is the radius of the signal electrode.
Полигармонический акустический сигнал с частотами f1, f2, F-=|f2-f1|, f+=f2+f1, 2f1, 2f2, генерируемый «виртуальной» излучающей параметрической антенной, которая используется в качестве образцового излучателя данных сигналов, достигает градуируемого широкополосного приемника 8 звукового давления. Конструкции широкополосных измерительных приемников ультразвука, используемых для исследования акустических полей описаны в литературе (см. Chivers R.C., Lewin Р.А. The voltage sensitivity of miniature piezoelectric plastic ultrasonic probes // Ultrasonics, 1982, v.20, №6, P.279-281, Lewin P.A. Calibration and performance evaluation of miniature ultrasonic hydrophones using time delay spectrometry // Ultrason. Symp. Proc, Chicago, 1981, v.1, P.660-664,. Markiewicz A., Chivers R.C. Typical errors in using finite miniature ultrasonic probes for far field measurements // Ac.Let, 1983, v.6, №10, P.142-147, Jones S.M., Carson P.L., Banjavic R.A., Meyer C.R. Simplified technique for the calibration and use of a miniature hydrophone in intensive measurements // J. Acoust. Soc. Amer., 1981, v.70, №5, P.1220-1228.). Градуируемый преобразователь 8 обладает чувствительностью по давлению M(f1, f2, F-, f+, 2f1, 2f2) в широком диапазоне частот и располагается на акустической оси излучателя на удалении z, составляющем несколько длин зоны дифракции lД, например, на расстоянии z0=4·lД=4·lД1(f0/f1)=4·lД2(f0/f2). Градуируемый преобразователь 8 является приемником звукового давления и преобразует достигший его акустический импульс в электрический сигнал с амплитудой U5, который после стробирования (канал стробирования в хронизаторе-модуляторе 3) и усиления (широкополосный усилитель 10) индицируется на экране анализатора спектра 11 (фиг.3) в виде отдельных спектральных составляющих с амплитудами U(F-), U(f1), U(f2), U(2f1), U(f+), U(2f2), отсчет величин которых можно произвести по вертикальной шкале. Таким образом, излучающая параметрическая антенна, образованная акустическими пучками средней интенсивности, в которой используется электроакустический преобразователь накачки с близким к гауссову поперечным распределением электрического сигнала возбуждения, формирует в нелинейной водной среде нескольких акустических сигналов с рассчитываемыми характеристиками в широком диапазоне частот, что может позволить одновременно провести градуировку как приемного преобразователя, так и излучающего преобразователя накачки.A polyharmonic acoustic signal with frequencies f 1 , f 2 , F - = | f 2 -f 1 |, f + = f 2 + f 1 , 2f 1 , 2f 2 , generated by a “virtual” radiating parametric antenna, which is used as a reference the emitter of these signals, reaches a graduated broadband receiver 8 of sound pressure. Designs of broadband measuring ultrasound detectors used to study acoustic fields are described in the literature (see Chivers RC, Lewin P.A. The voltage sensitivity of miniature piezoelectric plastic ultrasonic probes // Ultrasonics, 1982, v.20, No. 6, P.279 -281, Lewin PA Calibration and performance evaluation of miniature ultrasonic hydrophones using time delay spectrometry // Ultrason. Symp. Proc, Chicago, 1981, v.1, P.660-664, Markiewicz A., Chivers RC Typical errors in using finite miniature ultrasonic probes for far field measurements // Ac.Let, 1983, v.6, No. 10, P.142-147, Jones SM, Carson PL, Banjavic RA, Meyer CR Simplified technique for the calibration and use of a miniature hydrophone in intensive measurements // J. Acoust. Soc. Amer., 1981, v. 70, No. 5, P.1220-1228.). The calibrated transducer 8 has a pressure sensitivity M (f 1 , f 2 , F - , f + , 2f 1 , 2f 2 ) in a wide frequency range and is located on the acoustic axis of the emitter at a distance z of several lengths of the diffraction zone l D , for example , at a distance z 0 = 4 · l D = 4 · l D1 (f 0 / f 1 ) = 4 · l D2 (f 0 / f 2 ). The calibrated transducer 8 is a sound pressure receiver and converts the acoustic pulse that has reached it into an electric signal with an amplitude of U5, which, after gating (the gating channel in the chrono-modulator 3) and amplification (broadband amplifier 10), is displayed on the screen of the spectrum analyzer 11 (Fig. 3) in the form of separate spectral components with amplitudes U (F - ), U (f 1 ), U (f 2 ), U (2f 1 ), U (f + ), U (2f 2 ), which can be read off vertically timeline. Thus, a radiating parametric antenna formed by medium-intensity acoustic beams, using an electro-acoustic pump transducer with a Gaussian transverse distribution of the electrical excitation signal, generates several acoustic signals with calculated characteristics in a wide frequency range in a nonlinear aqueous medium, which can allow simultaneous graduation of both the receiving transducer and the radiating pump transducer.
При распространении акустических сигналов конечной амплитуды с частотами f1, f2, осевые распределения амплитуд звуковых давлений, которых описываются соотношениями (см. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с)In the propagation of acoustic signals of finite amplitude with frequencies f 1 , f 2 , the axial distribution of the amplitudes of sound pressures, which are described by the relations (see Novikov B.K., Rudenko O.V., Timoshenko V.I. Non-linear hydroacoustics. - L .: Shipbuilding, 1981. - 264 s)
в нелинейной среде будет происходить искажение их волновых профилей, т.е. за счет самовоздействия в спектрах акустических сигналов появятся вторые гармонические компоненты с частотами 2f1, 2f2. Амплитуды звуковых давлений вторых гармоник на акустической оси преобразователя накачки 5 описываются соотношениями (см. Волощенко В.Ю., Тимошенко В.И. Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения. (ч.1) - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - 294 с.)in a nonlinear medium, their wave profiles will be distorted, i.e. due to self-interaction, second harmonic components with frequencies 2f 1 , 2f 2 will appear in the spectra of acoustic signals. The amplitudes of the sound pressure of the second harmonics on the acoustic axis of the pump 5 are described by the relations (see Voloshchenko V.Yu., Timoshenko V.I. Parametric sonar aids for near underwater observation. (Part 1) - Taganrog: Publishing House of TTI SFU, 2009. - 294 p.)
Нелинейное взаимодействие сигналов накачки в канале распространения также приводит к генерации комбинационных акустических сигналов как разностной F-=|f2-f1|, так и суммарной f+=f2+f1 частот, амплитуды звуковых давлений которых на акустической оси преобразователя накачки 5 описываются соотношениямиThe nonlinear interaction of the pump signals in the propagation channel also leads to the generation of combination acoustic signals of both difference F - = | f 2 -f 1 | and total f + = f 2 + f 1 frequencies whose sound pressure amplitudes are on the acoustic axis of the pump 5 are described by the relations
В (5)-(8) и последующих соотношениях: ε - коэффициент нелинейности среды распространения; ρ0, c0 - равновесные значения плотности и скорости звука в воде, кг/м3 и м/с; ZH1=z/lД1=(z/lД)(f0/f1)=ZH(f0/f1); ZH2=z/lД2=(z/lД)(f0/f2)=ZH(f0/f2) - нормированные продольные осевые координаты акустических пучков накачки; lД1, 2=a 2ω1, 2/2c0, lД1=lД(f1/f0), lД2=lД(f2/f0) - расстояния дифракции (длины ближних зон) излучающего преобразователя 5 для акустических сигналов с циклическими частотами ω1, 2=2π·f1, 2, м; a - радиус излучателя, м; α(f1), α(f2), α(2f1), α(2f2), α+, α- - коэффициенты затухания акустических сигналов с частотами f1, f2 и 2f1, 2f2, суммарной f+ и разностной F- частот, Нп/м; p01, p02 - амплитуды звукового давления сигналов накачки с частотами f1, f2 у поверхности излучателя, Па; ω+=2π·f+=2π·(f1+f2)=4π·f0, рад/с; lД=a 2ω0/2c0 - длина области дифракции Френеля для сигнала с центральной частотой накачки f0=(f1+f2)/2, м; ZH=z/lД - нормированная продольная осевая координата z; Ω=2π·F=2π(f2-f1), рад/с; LД=a 2Ω/4c0 - длина области дифракции Френеля для волны разностной частоты, м.In (5) - (8) and the following relations: ε is the coefficient of nonlinearity of the propagation medium; ρ 0 , c 0 - equilibrium values of the density and speed of sound in water, kg / m 3 and m / s; Z H1 = z / l D1 = (z / l D ) (f 0 / f 1 ) = Z H (f 0 / f 1 ); Z H2 = z / l D2 = (z / l D ) (f 0 / f 2 ) = Z H (f 0 / f 2 ) - normalized longitudinal axial coordinates of the acoustic pump beams; l Д1, 2 = a 2 ω 1, 2 / 2c 0 , l Д1 = l Д (f 1 / f 0 ), l Д2 = l Д (f 2 / f 0 ) - diffraction distance (length of near zones) of the radiating transducer 5 for acoustic signals with cyclic frequencies ω 1, 2 = 2π · f 1, 2 , m; a is the radius of the emitter, m; α (f 1 ), α (f 2 ), α (2f 1 ), α (2f 2 ), α + , α - - attenuation coefficients of acoustic signals with frequencies f 1 , f 2 and 2f 1 , 2f 2 , total f + and differential F - frequencies, Np / m; p 01 , p 02 - the amplitude of the sound pressure of the pump signals with frequencies f 1 , f 2 at the surface of the emitter, Pa; ω + = 2π · f + = 2π · (f 1 + f 2 ) = 4π · f 0 , rad / s; l D = a 2 ω 0 / 2c 0 is the length of the Fresnel diffraction region for a signal with a central pump frequency f 0 = (f 1 + f 2 ) / 2, m; Z H = z / l D - normalized longitudinal axial coordinate z; Ω = 2π · F = 2π (f 2 -f 1 ), rad / s; L D = a 2 Ω / 4c 0 - the length of the Fresnel diffraction region for the wave of difference frequency, m
Как следует из представленной информации об амплитудах гармонических компонент с частотами f1, f2, 2f1, 2f2 (фиг.3), осуществляющий градуировку исследователь может изменять уровень радиоимпульса U4PE3 до тех пор, пока отношения U(2f1)/U(f1), U(2f2)/U(2f2) амплитуд электрических сигналов, соответствующих выделенным составляющим, для некоторой дистанции, например, z0=4·lД=4·lД1(f0/f1)=4·lД2(f0/f2) не станут равными числам Ф1 и Ф2, которые меньше 0,2. В этом случае в представленных ниже соотношениях безразмерные координаты на акустической оси можно выразить и так:As follows from the presented information on the amplitudes of harmonic components with frequencies f 1 , f 2 , 2f 1 , 2f 2 (Fig. 3), the graduate researcher can change the level of the radio pulse U4 PE3 until the ratios U (2f 1 ) / U (f 1 ), U (2f 2 ) / U (2f 2 ) the amplitudes of the electrical signals corresponding to the selected components, for some distance, for example, z 0 = 4 · l D = 4 · l D1 (f 0 / f 1 ) = 4 · l D2 (f 0 / f 2 ) will not become equal to the numbers Ф 1 and Ф 2 , which are less than 0.2. In this case, in the relations presented below, the dimensionless coordinates on the acoustic axis can also be expressed as follows:
ZH0=z0/lД=4, ZH01=ZH0(f0/f1)=4(f0/f1), ZH02=ZH0(f0/f2)=4(f0/f2),Z H0 = z 0 / l D = 4, Z H01 = Z H0 (f 0 / f 1 ) = 4 (f 0 / f 1 ), Z H02 = Z H0 (f 0 / f 2 ) = 4 (f 0 / f 2 ),
, . , .
Полученная информация поступает на вход решающего устройства 12, с помощью которого рассчитывают чувствительности в режиме излучения по давлению (преобразователь 5) и чувствительности в режиме приема по давлению (преобразователь 8) для сигналов с частотами f1, f2, 2f1, 2f2 по соотношениям (13)-(15), которые можно получить следующим образом:The received information is fed to the input of the decider 12, with which the sensitivity in the radiation mode by pressure (transducer 5) and the sensitivity in the pressure receiving mode (transducer 8) for signals with frequencies f 1 , f 2 , 2f 1 , 2f 2 relations (13) - (15), which can be obtained as follows:
, ,
, ,
откуда where from
Подставив выражения (9), (10) в (5), (6), получимSubstituting expressions (9), (10) into (5), (6), we obtain
Так как напряжения U(f1), U(f2), U(2f1), U(2f2) известны, то можно рассчитать чувствительности D2, D1 излучающего преобразователя 5 по давлению для частот f1→D1=2p01/U4РЕЗ, f2→D2=2p02/U4РЕЗ и чувствительности градуируемого преобразователя 8 в режиме приема M(f1)=U(f1)/P(f1), M(2f1)=U(2f1)/Р(2f1), M(f2)=U(f2)/Р(f2), M(2f2)=U(2f2)/Р(2f2) по давлению для частот f1, f2, 2f1, 2f2:Since the voltages U (f 1 ), U (f 2 ), U (2f 1 ), U (2f 2 ) are known, it is possible to calculate the sensitivity D 2 , D 1 of the emitting transducer 5 by pressure for frequencies f 1 → D 1 = 2p 01 / U4 RES , f 2 → D 2 = 2p 02 / U4 RES and the sensitivity of the graduated transducer 8 in the receiving mode M (f 1 ) = U (f 1 ) / P (f1) , M (2f 1 ) = U ( 2f 1 ) / P (2f1) , M (f 2 ) = U (f 2 ) / P (f2) , M (2f 2 ) = U (2f 2 ) / P (2f2) in pressure for frequencies f 1 , f 2 , 2f 1 , 2f 2 :
, ,
Излучающий электроакустический преобразователь 5 обладает собственной резонансной частотой f0, добротность Q и полосой пропускания Δf, которые связаны соотношением: Δf=f0/Q, причем, бигармонический режим возбуждения и нелинейность среды приводит к увеличению в четыре раза его результирующей рабочей полосы - Δ/fНЧ=ΔF-=Δf, ΔfВЧ=2Δf=2f2-2f1, Δf=f2-f1 за счет генерации сигналов в низко- и высокочастотном диапазонах. Описываемое устройство позволяет последовательно проводить описанные выше измерения чувствительности D2, D1 излучающего преобразователя 5 по давлению и чувствительности градуируемого преобразователя 8 в режиме приема для результирующего частотного диапазона при симметричном относительно резонансной f0 изменении частот f1, f2 (f1 - уменьшение, f2 - увеличение) электрических сигналов, формируемых генераторами 1, 2, при поступлении на их управляющие входы соответствующих сигналов с блока управления 9. Как следует из фиг.3, уменьшение величины разностной частоты F=|f2-f1| приводит к «сближению» спектральных составляющих вторых гармоник 2f1, 2f2, в то время как расположение спектральной составляющей суммарной частоты f+=(f1+f2)/2=2f0 на горизонтальной оси остается неизменным. Это дает основание утверждать - если первый этап измерений производится для наименьшей разностной частоты Fmin=|f2-f1|min, то величины чувствительностей градуируемого преобразователя 8 в режиме приема (15) для частот f+=f2min+f1max=2f0, 2f1max, 2f2min практически одинаковы, т.е. M(2f1max)=U(2f1)/P(2f1)≈M(2f2min)=U(2f2)/P(2f2)≈M(f+)=U(f+)/P+. В данном случае для дистанции z0=4·lД=4·lД1(f0/f1)=4·lД2(f0/f2), lД=a 2ω0/2с0 - (ZН0=z0/lД=4, ZH01=ZH0(f0/f1max)=4(f0/f1max), ZH02=ZH0(f0/f2min)=4(f0/f2min), The emitting electro-acoustic transducer 5 has its own resonant frequency f 0 , Q factor and passband Δf, which are related by the relation: Δf = f 0 / Q, moreover, the biharmonic excitation mode and nonlinearity of the medium leads to a four-fold increase in its resulting operating band - Δ / f LF = ΔF - = Δf, Δf HF = 2Δf = 2f 2 -2f 1 , Δf = f 2 -f 1 due to the generation of signals in the low and high frequency ranges. The described device allows you to consistently carry out the above measurements of the sensitivity D 2 , D 1 of the emitting transducer 5 by pressure and the sensitivity of the calibrated transducer 8 in the receive mode for the resulting frequency range with a frequency change symmetric with respect to the resonance f 0 f 1 , f 2 (f 1 - decrease, f 2 - increase) of the electrical signals generated by the generators 1, 2, when received on their control inputs of the corresponding signals from the control unit 9. As follows from figure 3, the decrease difference frequency F = | f 2 -f 1 | leads to a “convergence” of the spectral components of the second harmonics 2f 1 , 2f 2 , while the location of the spectral component of the total frequency f + = (f 1 + f 2 ) / 2 = 2f 0 on the horizontal axis remains unchanged. This gives grounds to assert - if the first stage of measurements is performed for the smallest difference frequency F min = | f 2 -f 1 | min , then the sensitivity values of the calibrated transducer 8 in the reception mode (15) for frequencies f + = f 2min + f 1max = 2f 0 , 2f 1max , 2f 2min are almost the same, i.e. M (2f 1max) = U ( 2f 1) / P (2f1) ≈M ( 2f 2min) = U (2f 2) / P (2f2) ≈M ( f +) = U (f +) / P +. In this case, for the distance z 0 = 4 · l Д = 4 · l Д1 (f 0 / f 1 ) = 4 · l Д2 (f 0 / f 2 ), l Д = a 2 ω 0 / 2с 0 - (Z Н0 = z 0 / l Д = 4, Z H01 = Z H0 (f 0 / f 1max ) = 4 (f 0 / f 1max ), Z H02 = Z H0 (f 0 / f 2min ) = 4 (f 0 / f 2min ),
соотношение (15) примет видrelation (15) takes the form
Чувствительность градуируемого преобразователя 8 в режиме приема M(F-) для низкочастотного диапазона акустических измерений производится на сигнале разностной частоты F-=|f2-f1|. Важной характеристикой «виртуальной» излучающей параметрической антенны, иллюстрирующей эффективность генерации низко- (F-=|f2-f1|) и высокочастотных (f+=(f1+f2)/2=2f0) компонент спектра в водной среде 7, могут служить коэффициенты преобразования по давлению ηР± (см. Волощенко В.Ю., Тимошенко В.И. Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения. (ч.1) - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - 294 с.):The sensitivity of the calibrated transducer 8 in the receiving mode M (F - ) for the low-frequency range of acoustic measurements is performed on the difference frequency signal F - = | f 2 -f 1 |. An important characteristic of a “virtual” radiating parametric antenna, illustrating the generation efficiency of low- (F - = | f 2 -f 1 |) and high-frequency (f + = (f 1 + f 2 ) / 2 = 2f 0 ) components of the spectrum in an aqueous medium 7, pressure conversion coefficients η Р ± can serve (see Voloshchenko V.Yu., Timoshenko V.I. Parametric sonar aids for near-underwater observation. (Part 1) - Taganrog: Publishing House of TTI SFU, 2009. - 294 from.):
Данные характеристики эффективности нелинейной генерации рассматриваемых сигналов - пространственные зависимости отношений амплитуд звуковых давлений сформировавшейся в среде спектральной компоненты и исходного сигнала накачки для акустической оси излучающей параметрической антенны, вычисленные при соответствующих удалениях от преобразователя накачки 5. Напомним, что расстояния дифракции для волн суммарной и разностной частот определяются соотношениями lД+=a 2ω+/4c0=(lД1+lД2)/2≈lД=a 2ω0/2с0 и LД=a 2Ω/4c0. Таким образом, симметричное изменение частот исходных волн f1 (уменьшение) и f2 (увеличение) относительно центральной резонансной частоты f0=(f1+f2)/2=f+/2 электроакустического преобразователя 5 в пределах его полосы пропускания обусловит изменение величин длин дифракции волн конечной амплитуды с частотами f1, f2 (f1<f2), причем, постоянной величиной останется только длина ближней «прожекторной» зоны для волны суммарной частоты LД+=а 2ω+/4c0=(lД1+lД2)/2≈lД. Каждое соотношение (17) и (18) содержит три сомножителя, первые из которых определяются параметрами акустического поля накачки и среды распространения, вторые - дифракционными процессами для компонент спектра излучения параметрической антенны, третьи - затуханием акустических сигналов. Используя соотношения для волновых чисел акустических сигналов суммарной и разностной частот К+=ω+/c0=2π/D+ и K-=Ω/c0=2π/Λ, а также связь LД=(Ω/2ω0)·lД, представим первые сомножители в следующем видеThese characteristics of the nonlinear generation efficiency of the signals under consideration are spatial dependences of the ratios of the amplitudes of the sound pressures of the spectral component formed in the medium and the initial pump signal for the acoustic axis of the emitting parametric antenna, calculated at corresponding distances from the pump transducer 5. Recall that the diffraction distances for the waves of total and difference frequencies l are given by A + = a 2 ω + / 4c 0 = (l + l D1 D2) / 2≈l D = a 2 ω 0 / 2c 0 and L D = a 2 ω / 4c 0. Thus, a symmetric change in the frequencies of the source waves f 1 (decrease) and f 2 (increase) relative to the central resonant frequency f 0 = (f 1 + f 2 ) / 2 = f + / 2 of the electro-acoustic transducer 5 within its passband will cause a change values of diffraction lengths of waves of finite amplitude with frequencies f 1 , f 2 (f 1 <f 2 ), and only the length of the near “spotlight” zone for the wave of total frequency L D + = a 2 ω + / 4c 0 = ( l D1 + l D2 ) / 2≈l D. Each relation (17) and (18) contains three factors, the first of which are determined by the parameters of the acoustic pump field and the propagation medium, the second by the diffraction processes for the components of the radiation spectrum of the parametric antenna, and the third by the attenuation of the acoustic signals. Using the relations for the wave numbers of acoustic signals of the total and difference frequencies K + = ω + / c 0 = 2π / D + and K - = Ω / c 0 = 2π / Λ, as well as the relationship L Д = (Ω / 2ω 0 ) l D , imagine the first factors in the following form
Из (19) видно, что эффективность нелинейной генерации компонент спектра излучения параметрической антенны определяется количеством длин волн соответствующих волновых процессов, укладывающихся на длине дифракции волны накачки с центральной циклической частотой ω0, т.е. количеством вторичных виртуальных источников, генерирующих соответствующую спектральную компоненту в общем водном объеме соосных акустических пучков средней интенсивности. Учитывая, что (LД/lД)=(F-/f+)=(λ+/Λ), запишем отношение коэффициентов преобразования по давлению (17) и (18) в следующем видеIt is seen from (19) that the efficiency of nonlinear generation of the components of the radiation spectrum of a parametric antenna is determined by the number of wavelengths of the corresponding wave processes that fit the diffraction length of the pump wave with a central cyclic frequency ω 0 , i.e. the number of secondary virtual sources generating the corresponding spectral component in the total water volume of medium-intensity coaxial acoustic beams. Considering that (L D / l D ) = (F - / f + ) = (λ + / Λ), we write the ratio of pressure conversion coefficients (17) and (18) in the following form
Из (20) видно, что именно данный параметр - соотношение длин волн формирующихся компонент спектра излучения и длины «прожекторной зоны» электроакустического преобразователя 5 накачки параметрической антенны - определяет существенность различий в эффективности нелинейной генерации данных сигналов, причем, отношение коэффициентов преобразования по давлению прямо пропорционально отношению звуковых давлений сигналов суммарной и разностной частот соответственно. Учитывая, что M(f+)=U(f+)/P+, M(F-)=U(F-)/P-, левую часть (20) можно записать:It can be seen from (20) that this particular parameter — the ratio of the wavelengths of the forming components of the radiation spectrum and the length of the “spotlight zone” of the electro-acoustic transducer 5 for pumping the parametric antenna — determines the significance of the differences in the efficiency of nonlinear generation of these signals, and the ratio of pressure conversion coefficients is directly proportional the ratio of sound pressures of the signals of the total and differential frequencies, respectively. Given that M (f + ) = U (f + ) / P + , M (F - ) = U (F - ) / P - , the left-hand side of (20) can be written:
где для градуируемого преобразователя 8 чувствительность по давлению M(f+) определяется соотношением (16): M(2f1max)-M(2f2min)=M(f+). Градуируемый приемный преобразователь 8 находится на акустической оси излучающего преобразователя 5 на удалении z, составляющем, z0=4·lД=4·lД1(f0/f1)=4·lД2(f0/f2), ZH0=4, ZH01=ZH0(f0/f1), ZH02=ZH0(f0/f2).where for the calibrated transducer 8, the pressure sensitivity M (f + ) is determined by the relation (16): M (2f 1max ) -M (2f 2min ) = M (f + ). The calibrated receiving transducer 8 is located on the acoustic axis of the radiating transducer 5 at a distance z equal to z 0 = 4 · l D = 4 · l D1 (f 0 / f 1 ) = 4 · l D2 (f 0 / f 2 ), Z H0 = 4, Z H01 = Z H0 (f 0 / f 1 ), Z H02 = Z H0 (f 0 / f 2 ).
В данном случае правую часть соотношения (20) - отношение коэффициентов преобразования по давлению можно рассчитатьIn this case, the right-hand side of relation (20) - the ratio of pressure conversion coefficients can be calculated
амплитуды спектральных составляющих U(F-), U(f+) измеряются экспериментально, в результате чего из (21) вычисляется для градуируемого преобразователя 8 чувствительность по давлению M(F-).the amplitudes of the spectral components U (F - ), U (f + ) are measured experimentally, as a result of which pressure sensitivity M (F - ) is calculated for the graduated transducer 8 from (21).
Предлагаемое устройство позволяет получать частотные зависимости чувствительностей как в режиме излучения для градуируемого излучателя 5, так и в режиме приема для градуируемого широкополосного приемника звукового давления 8. Расширение частотного диапазона градуировки обеспечивается обработкой в устройстве акустических сигналов, формирующихся за счет эффектов взаимодействия и самовоздействия акустических волн конечной амплитуды при распространении в среде с нелинейностью упругих свойств, т.е. генерируемых «виртуальной» излучающей параметрической антенной, которая используется в качестве эталонного излучателя ультразвуковых волн. В отличие от прототипа измерительный режим устройства не требует излучения высокоинтенсивных волн накачки, что обусловливает стабильную и надежную работу пьезокерамики излучателя 5, обеспечивая его долговечность, использование акустического пучка бигармонической накачки с близким к гауссовому поперечным распределением амплитуды звукового давления обусловливает отсутствие неоднородности градуировочного ультразвукового поля в пределах гидроакустического канала устройства.The proposed device allows to obtain frequency dependencies of sensitivities both in the radiation mode for the calibrated emitter 5 and in the reception mode for the calibrated broadband receiver of sound pressure 8. The frequency range of the calibration is expanded by processing acoustic signals generated by the interaction and self-action of the acoustic waves in the device amplitudes propagating in a medium with nonlinearity of elastic properties, i.e. generated by a "virtual" radiating parametric antenna, which is used as a reference emitter of ultrasonic waves. Unlike the prototype, the measuring mode of the device does not require the emission of high-intensity pump waves, which determines the stable and reliable operation of the piezoceramics of the emitter 5, ensuring its durability, the use of an acoustic biharmonic pump beam with a close to Gaussian transverse distribution of the sound pressure amplitude causes the inhomogeneity of the calibration ultrasonic field to be within sonar channel device.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012104478/28U RU117762U1 (en) | 2012-02-08 | 2012-02-08 | DEVICE FOR ABSOLUTE GRADING OF RADIATING AND RECEIVING ACOUSTIC CONVERTERS |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2012104478/28U RU117762U1 (en) | 2012-02-08 | 2012-02-08 | DEVICE FOR ABSOLUTE GRADING OF RADIATING AND RECEIVING ACOUSTIC CONVERTERS |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU117762U1 true RU117762U1 (en) | 2012-06-27 |
Family
ID=46682559
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2012104478/28U RU117762U1 (en) | 2012-02-08 | 2012-02-08 | DEVICE FOR ABSOLUTE GRADING OF RADIATING AND RECEIVING ACOUSTIC CONVERTERS |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU117762U1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2620772C1 (en) * | 2016-08-01 | 2017-05-29 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри") | Method of hydrophones graduation by the reference radiator method |
| RU2782354C2 (en) * | 2020-07-28 | 2022-10-26 | Общество с ограниченной ответственностью "НЕЛАКС" | Apparatus for grading electroacoustic transducers |
-
2012
- 2012-02-08 RU RU2012104478/28U patent/RU117762U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2620772C1 (en) * | 2016-08-01 | 2017-05-29 | Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Всероссийский Научно-Исследовательский Институт Физико-Технических И Радиотехнических Измерений" (Фгуп "Вниифтри") | Method of hydrophones graduation by the reference radiator method |
| RU2782354C2 (en) * | 2020-07-28 | 2022-10-26 | Общество с ограниченной ответственностью "НЕЛАКС" | Apparatus for grading electroacoustic transducers |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Weight et al. | Observations of the propagation of very short ultrasonic pulses and their reflection by small targets | |
| Alleyne et al. | A two-dimensional Fourier transform method for the measurement of propagating multimode signals | |
| US11391863B2 (en) | Method of free-field broadband calibration of hydrophone sensitivity based on pink noise | |
| Monnier et al. | Primary calibration of acoustic emission sensors by the method of reciprocity, theoretical and experimental considerations | |
| Martin et al. | Investigation of the repeatability and reproducibility of hydrophone measurements of medical ultrasound fields | |
| Fierro et al. | Nonlinear elastic imaging of barely visible impact damage in composite structures using a constructive nonlinear array sweep technique | |
| Wear et al. | Pressure pulse distortion by needle and fiber-optic hydrophones due to nonuniform sensitivity | |
| RU117762U1 (en) | DEVICE FOR ABSOLUTE GRADING OF RADIATING AND RECEIVING ACOUSTIC CONVERTERS | |
| Kirbas et al. | Primary sound power sources for the realisation of the unit watt in airborne sound | |
| Biateau et al. | Measurement of air-coupled transducer characteristics for ultrasonic non-destructive evaluation | |
| RU121113U1 (en) | ACOUSTIC CONVERTER SELF-GRADING DEVICE | |
| RU2782354C2 (en) | Apparatus for grading electroacoustic transducers | |
| RU2354932C2 (en) | Resonance method of ultrasonic thickness measurement | |
| Gammell et al. | Time delay spectrometry for hydrophone calibrations below 1 MHz | |
| EP4343319A1 (en) | Method, device, and system for ultrasonic estimation of plant-leaf physiological response | |
| Nikolaev et al. | Using acoustic holography to characterize absorbing layers | |
| RU2688883C2 (en) | Fluid acoustic detector and its application method | |
| Huang et al. | An ultrasonic Gaussian transducer and its diffraction field: Theory and practice | |
| Gavrilov | Nonlinear method for measuring the frequency response of an acoustic wave receiver | |
| Kamakura et al. | Measurement of sound pressure sensitivity of high-frequency microphone using multiple harmonics in intense ultrasonic beams | |
| Derusova et al. | Characterizing air-coupled gas discharge acoustic transducers by using scanning laser Doppler refracto-vibrometry | |
| Kang et al. | Wideband Electromagnetic Dynamic Acoustic Transducer as a Standard Acoustic Source for Air-coupled Ultrasonic Sensors | |
| RU2648292C1 (en) | Resonance method of ultrasonic thickness measurement | |
| Pietroni et al. | Development of a Methodology for the Characterisation of Air‐coupled Ultrasound Probes | |
| Fitch Jr | New methods for measuring ultrasonic attenuation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20140209 |