RU121113U1 - ACOUSTIC CONVERTER SELF-GRADING DEVICE - Google Patents

ACOUSTIC CONVERTER SELF-GRADING DEVICE Download PDF

Info

Publication number
RU121113U1
RU121113U1 RU2012118296/28U RU2012118296U RU121113U1 RU 121113 U1 RU121113 U1 RU 121113U1 RU 2012118296/28 U RU2012118296/28 U RU 2012118296/28U RU 2012118296 U RU2012118296 U RU 2012118296U RU 121113 U1 RU121113 U1 RU 121113U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
acoustic
transducer
amplifier
modulator
output
Prior art date
Application number
RU2012118296/28U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вадим Юрьевич Волощенко
Александр Петрович Волощенко
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"
Priority to RU2012118296/28U priority Critical patent/RU121113U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU121113U1 publication Critical patent/RU121113U1/en

Links

Landscapes

  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Устройство для абсолютной самоградуировки электроакустического преобразователя, содержащее генератор непрерывных колебаний, усилитель мощности, эталонное сопротивление, децибельный делитель, усилитель, осциллограф, бассейн, отражающую поверхность и акустически связанный с ней через среду распространения обратимый градуируемый преобразователь, отличающееся тем, что в него дополнительно введены хронизатор-модулятор, приемный электроакустический преобразователь, предварительный усилитель, аналоговый ключ, счетно-решающий блок и блок управления; генератор непрерывных колебаний через хронизатор-модулятор соединен со входом усилителя мощности, дополнительный вход хронизатора-модулятора соединен через предварительный усилитель с выходом приемного электроакустического преобразователя, а дополнительный выход - с третьим входом аналогового ключа, первый и второй входы аналогового ключа соединены с выходом эталонного сопротивления и выходом обратимого градуируемого преобразователя (в режиме приема отраженного сигнала) соответственно, выход усилителя соединен со входом счетно-решающего блока, управляющие входы генератора непрерывных колебаний, хронизатора-модулятора, аналогового ключа, децибельного делителя, усилителя, осциллографа и счетно-решающего блока соединены с соответствующими выходами блока управления, причем приемный электроакустический преобразователь расположен на акустической оси градуируемого преобразователя и может перемещаться вдоль вертикали, что позволяет производить последовательно измерения уровней акустических сигналов на отражающей границе раздела как в водной, та A device for absolute self-calibration of an electroacoustic transducer containing a continuous oscillator, a power amplifier, a reference resistance, a decibel divider, an amplifier, an oscilloscope, a pool, a reflecting surface and a reversible calibrated transducer acoustically connected to it through the propagation medium, characterized in that a chronizer is additionally introduced into it -modulator, receiving electroacoustic transducer, preamplifier, analog switch, calculating and deciding unit and control unit; the generator of continuous oscillations through the chronizer-modulator is connected to the input of the power amplifier, the additional input of the chronizer-modulator is connected through a preamplifier to the output of the receiving electro-acoustic transducer, and the additional output is connected to the third input of the analog switch, the first and second inputs of the analog switch are connected to the output of the reference resistance and output of a reversible calibrated converter (in the reflected signal reception mode), respectively, the output of the amplifier is connected to the input of the calculating unit, the control inputs of the continuous oscillator, the chronizer-modulator, the analog switch, the decibel divider, the amplifier, the oscilloscope and the calculating unit are connected to the corresponding outputs of the control unit, and the receiving electroacoustic transducer is located on the acoustic axis of the transducer to be calibrated and can be moved along the vertical, which makes it possible to sequentially measure the levels of acoustic signals catches at a reflective interface as in water, that

Description

Полезная модель относится к области акустических измерений и может быть использована для повышения точности абсолютной самоградуировки обратимых электроакустических преобразователей в рабочей полосе частот на основе метода взаимности за счет учета акустической прозрачности отражающей границы, в частности, границы раздела «вода-воздух». Преимущественная область использования - гидроакустика.The utility model relates to the field of acoustic measurements and can be used to increase the accuracy of absolute self-calibration of reversible electro-acoustic transducers in the working frequency band based on the reciprocity method by taking into account the acoustic transparency of the reflecting boundary, in particular, the water-air interface. 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, бассейн, входной коммутатор, предварительный усилитель, полосовой фильтр, временной селектор, второй измеритель амплитуды, регистратор.A device for relative graduation by comparing the electro-acoustic transducers of sound emitters and sound pressure receivers (see the Guide to hydroacoustics. - L. "Sudostroenie", 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 - a model and a test one, a pool, an input switch, a preamplifier, a polo Owl 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.ii/2π (i=1, 2, …, - количество проводимых измерений в его полосе пропускания), который излучается как 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 in its passband), which is emitted as 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-го 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 radiating transducer, the use of the device gives a significant measurement error.

Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности устройства вследствие необходимости использования образцового приемного преобразователя.The reasons that impede the achievement of the claimed technical result are the limited operational capabilities of the device due to the need to use an exemplary receiving transducer.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор непрерывных колебаний, усилитель мощности, градуируемый преобразователь, среда распространения акустической волны, бассейн, регистратор.Signs that coincide with the claimed object: continuous oscillator, power amplifier, graduated transducer, acoustic wave propagation medium, pool, recorder.

Известно устройство для градуировки на основе метода взаимности направленных приемников звука (см. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении - Л.: Судостроение, 1966. с.57-58), содержащее генератор непрерывных колебаний, импульсный модулятор, усилитель мощности, акустически связанные через среду распространения преобразователи - вспомогательный, обратимый и испытуемый, бассейн, входной коммутатор, линейный усилитель, логарифмический усилитель, четырехканальный временной селектор, алгебраический сумматор.A device for graduation based on the reciprocity method of directional sound receivers (see Klyukin II, Kolesnikov AE Acoustic measurements in shipbuilding - L .: Sudostroenie, 1966. p.57-58), containing a continuous oscillation generator, pulse modulator, power amplifier, transducers acoustically connected through the propagation medium — auxiliary, reversible, and test, pool, input commutator, linear amplifier, logarithmic amplifier, four-channel time selector, algebraic adder.

Устройство работает следующим образом. Излучающий тракт устройства, включающий в себя последовательно включенные генератор непрерывных колебаний, импульсный модулятор и усилитель мощности, вырабатывает электрический радиоимпульсный сигнал с заданной частотой f.i (i=1, 2, … - количество измерений в общей рабочей полосе частот обратимого преобразователя, вспомогательного излучателя и испытуемого приемника звука), который одновременно поступает непосредственно на вход вспомогательного излучателя и через коммутатор на вход обратимого преобразователя, которые синхронно излучают акустические импульсы в среду распространения, например, в воду. В устройстве применено «линейное» взаимное расположение используемых электроакустических преобразователей, т.е. они установлены на одной прямой, их соединяющей, - акустической оси градуируемого направленного приемника звукового давления, таким образом, что наибольшее расстояние (от вспомогательного излучателя до испытуемого приемника) составляет 3r, а расстояния от обратимого преобразователя до вспомогательного излучателя и до испытуемого приемника равны 2r и r соответственно. Обратимый преобразователь является всенаправленным и обладает небольшими размерами в сравнении с длиной используемой акустической волны, причем, допустимо во избежание дифракционных явлений его смещение с акустической оси на расстояние, равное его диаметру. Указанное выше пространственное расположение электроакустических преобразователей позволяет разнести по временной оси импульсные электрические сигналы, вырабатываемые как градуируемым приемником: U1 (- от обратимого преобразователя), U3 (- от вспомогательного излучателя), так и обратимым преобразователем: U2 (- от вспомогательного излучателя). Цифровая нумерация импульсных сигналов соответствует их расположению на временной оси, на которой с наибольшей задержкой индицируется также падение напряжения U4 на малом эталонном сопротивлении R, включаемом последовательно с обратимым преобразователем. С учетом того, что расстояния от вспомогательного излучателя до обратимого преобразователя и приемника звука не равны между собой, выражение для чувствительности принимает видThe device operates as follows. The emitting path of the device, which includes a continuous oscillator, a pulse modulator and a power amplifier, generates an electric radio pulse signal with a given frequency f .i (i = 1, 2, ... is the number of measurements in the total working frequency band of a reversible converter, auxiliary radiator and a test sound receiver), which simultaneously arrives directly at the input of the auxiliary emitter and through the switch to the input of the reversible transducer, which synchronously emit acoustic pulses are emitted into the propagation medium, for example, into water. The device uses a “linear” relative arrangement of the used electro-acoustic transducers, i.e. they are mounted on one straight line connecting them — the acoustic axis of the graduated directional sound pressure receiver, so that the greatest distance (from the auxiliary emitter to the test receiver) is 3r, and the distances from the reversible transducer to the auxiliary emitter and to the test receiver are 2r and r respectively. A reversible transducer is omnidirectional and has a small size in comparison with the length of the used acoustic wave, moreover, it is permissible to avoid diffraction phenomena its displacement from the acoustic axis by a distance equal to its diameter. The spatial arrangement of the electro-acoustic transducers indicated above makes it possible to distinguish along the time axis pulsed electrical signals generated by both a calibrated receiver: U1 (- from a reversible transducer), U3 (- from an auxiliary transducer), and a reversible transducer: U2 (- from an auxiliary transducer). The digital numbering of the pulse signals corresponds to their location on the time axis, on which the voltage drop U4 at the small reference resistance R, connected in series with the reversible converter, is also indicated with the greatest delay. Given that the distances from the auxiliary emitter to the reversible transducer and the sound receiver are not equal, the expression for sensitivity takes the form

где H - коэффициент взаимности для обратимого преобразователя, который определяется условиями излучения, приема и характером формируемого акустического поля. При излучении и приеме сферических волн коэффициент взаимности для обратимого преобразователя равенwhere H is the reciprocity coefficient for a reversible transducer, which is determined by the conditions of radiation, reception and the nature of the generated acoustic field. When emitting and receiving spherical waves, the reciprocity coefficient for a reversible transducer is

где r - расстояние между точкой излучения и точкой приема, м; λ - длина волны звука в среде, м; ρ - плотность среды, кг/м3, c - скорость звука в среде, м/с; f - частота, Гц,where r is the distance between the radiation point and the receiving point, m; λ is the wavelength of sound in the medium, m; ρ is the density of the medium, kg / m 3 , c is the speed of sound in the medium, m / s; f is the frequency, Hz,

при излучении и приеме цилиндрических волн коэффициент взаимности равенwhen emitting and receiving cylindrical waves, the reciprocity coefficient is

где L - длина преобразователя,where L is the length of the Converter

при излучении и приеме плоских волнwhen emitting and receiving plane waves

где S - площадь излучателя (см. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении - Л.: Судостроение, 1966. с.51, с.90).where S is the area of the emitter (see Klyukin II, Kolesnikov AE Acoustic measurements in shipbuilding - L .: Shipbuilding, 1966. p.51, p.90).

Импульсные электрические сигналы U1, U2, U3, U4 в приемном тракте устройства, состоящем из последовательно соединенных входного коммутатора, линейного усилителя, логарифмического усилителя, четырехканального селектора и алгебраического сумматора, подвергаются счетно-решающей обработке, в результате которой выражены в децибелах:Pulse electrical signals U1, U2, U3, U4 in the receiving path of the device, consisting of a series-connected input switch, a linear amplifier, a logarithmic amplifier, a four-channel selector and an algebraic adder, are subjected to counting-decoding processing, as a result of which are expressed in decibels:

где в левой части равенства чувствительность градуируемого приемника звука выражено в децибелах относительно 1 в×м2/н, R - в децибелах относительно 1 Ом, H - в децибелах относительно 1 м4с/кг.where on the left side of the equality the sensitivity of the calibrated sound receiver is expressed in decibels relative to 1 in × m 2 / n, R - in decibels relative to 1 Ohm, H - in decibels relative to 1 m 4 s / kg.

Данное устройство имеет недостатки и ограничения в применении:This device has disadvantages and limitations in use:

1) для проведения градуировки направленных приемников звука на основе метода взаимности необходимы дополнительные преобразователи - обратимый и вспомогательный, что увеличивает длину «линейного» гидроакустического канала бассейна и усложняет устройство;1) for the calibration of directional sound receivers based on the reciprocity method, additional transducers are needed - reversible and auxiliary, which increases the length of the "linear" sonar channel of the pool and complicates the device;

2) для проведения градуировки габаритные размеры незаглушенного измерительного бассейна должны превышать минимальное расстояние градуировки (длину «линейного» гидроакустического канала) в 15-20 раз, что создает трудности при градуировке крупногабаритных преобразователей;2) for the calibration, the overall dimensions of the non-damped measuring pool must exceed the minimum calibration distance (length of the "linear" sonar channel) by 15-20 times, which creates difficulties when calibrating large-sized transducers;

3) минимальная длина «линейного» гидроакустического канала определяется общей протяженностью участков ближних зон дифракции используемых электроакустических преобразователей.3) the minimum length of the "linear" sonar channel is determined by the total length of the sections of the near diffraction zones of the used electro-acoustic transducers.

4) проведение градуировки крупногабаритных преобразователей в натурных условиях естественного бассейна-водоема осложнено выполнением условия «линейного» взаимного расположения используемых направленных электроакустических преобразователей, т.е. их нахождения на одной прямой - общей акустической оси.4) the calibration of large-sized transducers in full-scale conditions of a natural pool-water reservoir is complicated by the fulfillment of the condition of a “linear” mutual arrangement of the used directional electro-acoustic transducers, i.e. their location on one straight line - the common acoustic axis.

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является ограниченная эксплуатационная возможность устройства вследствие необходимости использования дополнительных преобразователей - обратимого и вспомогательного, что увеличивает длину «линейного» гидроакустического канала бассейна и усложняет процесс измерений.The reason that impedes the achievement of the claimed technical result is the limited operational ability of the device due to the need to use additional transducers - reversible and auxiliary, which increases the length of the "linear" sonar channel of the pool and complicates the measurement process.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор непрерывных колебаний, усилитель мощности, среда распространения акустического сигнала, градуируемый преобразователь, бассейн, эталонное сопротивление.Signs that coincide with the claimed object: a continuous oscillator, a power amplifier, an acoustic signal propagation medium, a graduated transducer, a pool, a reference impedance.

В качестве прототипа выбрано устройство для самоградуировки на основе метода взаимности (см. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении - Л.: Судостроение, 1966. с.59-60), содержащее генератор непрерывных колебаний, импульсный модулятор, усилитель мощности, эталонное сопротивление, входной коммутатор, децибельный делитель, усилитель, осциллограф, бассейн, отражающую поверхность и акустически связанный с ней через среду распространения обратимый преобразователь.A device for self-calibration based on the reciprocity method was selected as a prototype (see Klyukin II, Kolesnikov AE Acoustic measurements in shipbuilding - L .: Sudostroenie, 1966. p. 59-60), containing a continuous oscillation generator, pulse modulator, power amplifier, reference impedance, input switch, decibel divider, amplifier, oscilloscope, pool, reflective surface and a reversible transducer acoustically connected through the propagation medium.

Устройство работает следующим образом. На градуируемый электроакустический обратимый преобразователь поступает электрический радиоимпульсный сигнал с заданной амплитудой, вырабатываемый последовательно соединенными генератором непрерывных колебаний (значения частот f.i=1, 2, … определяются требуемой точностью измерений и полосой пропускания преобразователя), импульсным модулятором и усилителем мощности. Определение значения силы тока I, возбуждающего градуируемый электроакустический обратимый преобразователь, производится путем измерения величины напряжения U4 на малом эталонном сопротивлении R (его величина значительно меньше полного электрического сопротивления преобразователя во всем диапазоне частот градуировки), включаемом последовательно с указанным преобразователем, причем, отсчет величины напряжения U4 осуществляется с экрана электроннолучевой трубки осциллографа, подключаемого в момент излучения к сопротивлению через входной коммутатор, децибельный делитель и усилитель. Электроакустический преобразователь излучает акустический импульс в водную среду распространения по направлению к отражающей поверхности, расположенной на расстоянии r/2 от него, в качестве которой используется граница раздела «вода-воздух». Известно, что если на пути распространения в некоторой среде акустических колебаний находится объект с отличающимися акустическими свойствами, то часть звуковой энергии отражается от границы раздела и распространяется в обратном направлении в виде отраженной волны, причем, в случае значительности размеров (в сравнении с длиной волны) плоских «облучаемых» границ для описания как отраженных, так и преломленных волновых процессов применима лучевая теория (см. Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация. М.: Пищ. промышленность, 1978. - 22-25 с). Для количественного описания прохождения через границу раздела звуковой энергии принято использовать коэффициенты отражения как по давлению VP=Pотр/Pпад, так и интенсивности (отношения звуковых давлений или интенсивностей в отраженной Pотр, Iотр и падающей Pпад, Iпад волнах соответственно), величины которых определяются значениями плотностей ρ1,2 и скоростей звука c1,2 в сопредельных средах, а также углом падения αпад первичной звуковой волны (относительно нормали к границе). Расчетные значения коэффициентов отражения VP и прозрачности WP по давлению определяются соотношениямиThe device operates as follows. A calibrated electro-acoustic reversible transducer receives an electric radio-pulse signal with a given amplitude, produced by a series-connected continuous oscillator (frequency values f .i = 1, 2, ... are determined by the required measurement accuracy and the passband of the converter), a pulse modulator and a power amplifier. The value of the current strength I, exciting the calibrated electro-acoustic reversible transducer, is determined by measuring the voltage U4 at a small reference resistance R (its value is much less than the total electrical resistance of the transducer in the entire range of calibration frequencies), included in series with the specified transducer, moreover, the reading of the voltage U4 is carried out from the screen of the cathode-ray tube of the oscilloscope, which is connected at the time of radiation to the resistance through the input ne switch decibel divider and amplifier. The electro-acoustic transducer emits an acoustic impulse into the aqueous propagation medium towards a reflective surface located at a distance r / 2 from it, which is used as the “water-air” interface. It is known that if an object with different acoustic properties is located on the path of propagation of acoustic vibrations in some medium, then part of the sound energy is reflected from the interface and propagates in the opposite direction in the form of a reflected wave, moreover, in case of significant dimensions (in comparison with the wavelength) Radiation theory is applicable to the description of both “irradiated” boundaries to describe both reflected and refracted wave processes (see Kudryavtsev V.I. Industrial hydroacoustic and fishing. M: Food industry, 1 978.- 22-25 s). For a quantitative description of the passage through the interface of sound energy, it is customary to use reflection coefficients both in pressure V P = P sp / P pad and in intensity (ratio of sound pressures or intensities in the reflected Neg P, I and falling Neg pad P, I pad waves respectively), values of which are determined by the values of densities ρ 1,2 and c 1,2 sound velocities in adjacent environments, as well as the angle of incidence α pad primary sound wave (relative to the normal to the boundary). The calculated values of the reflection coefficients V P and transparency W P by pressure are determined by the relations

где m=ρ21; n=c1/c2. Из соотношения (9) следует, что коэффициент отражения по давлению будет, тем больше, чем значительнее различие акустических сопротивлений смежных сред. Например, так как для воды (ρ1c1) примерно в 3500 раз больше (ρ2·c2) воздуха (m=0,0013; ), в результате нормального падения акустической волны на плоскую границу раздела из воды в воздух, максимальный коэффициент прозрачности (αпад=0) может быть записан как WP=(2m/n)·cosαпад и имеет величину ≈5,7×10-4, а коэффициент отражения - VP≈(-1). Таким образом, звуковое давление при переходе волны из воды в воздух ослабляется примерно в 2000 раз, а прошедшая акустическая энергия составляет лишь 10-3 от падающей, т.е. можно считать, что акустическая энергия излучаемая преобразователем практически полностью отражается и не переходит в другую среду. Это позволяет вместо вспомогательного излучателя ввести в рассмотрение мнимый источник, расположенный в воздушной среде на расстоянии r/2 от границы раздела «вода-воздух», который представляет собой зеркальное отражение электроакустического преобразователя в плоской поверхности «вода-воздух». Таким образом, звуковой импульс полностью отражается в обратном направлении и распространяется к преобразователю, работающему в режиме приема. Электроакустический преобразователь трансформирует отраженный импульс звукового давления, вырабатывая импульсный электрический сигнал, который через входной коммутатор, децибельный делитель, усилитель поступает на отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки осциллографа, с экрана которой производится отсчет величины напряжения U3, соответствующего отраженному от границы раздела «вода-воздух» сигналу. Чувствительность градуируемого электроакустического обратимого преобразователя определяется соотношениемwhere m = ρ 2 / ρ 1 ; n = c 1 / c 2 . From relation (9) it follows that the reflection coefficient in pressure will be, the greater, the greater the difference in acoustic impedances of adjacent media. For example, since for water (ρ 1 c 1 ) there is approximately 3,500 times more (ρ 2 · c 2 ) air (m = 0,0013; ), as a result of the normal incidence of an acoustic wave on a flat interface from water to air, the maximum transparency coefficient (α pad = 0) can be written as W P = (2m / n) · cosα pad and has a value of ≈5.7 × 10 -4 , and the reflection coefficient is V P ≈ (-1). Thus, the sound pressure during the transition of a wave from water to air is weakened by about 2000 times, and the transmitted acoustic energy is only 10 -3 of the incident, i.e. we can assume that the acoustic energy emitted by the transducer is almost completely reflected and does not transfer to another medium. This allows, instead of the auxiliary emitter, to introduce an imaginary source located in the air at a distance of r / 2 from the water-air interface, which is a mirror image of the electro-acoustic transducer in a flat water-air surface. Thus, the sound pulse is completely reflected in the opposite direction and propagates to the transducer operating in the reception mode. The electro-acoustic transducer transforms the reflected pulse of sound pressure, generating a pulsed electrical signal, which through the input switch, decibel divider, amplifier is fed to the deflecting plates of the cathode-ray tube of the oscilloscope, from the screen of which the voltage value U3, corresponding to that reflected from the water-air interface, is counted »Signal. The sensitivity of the graduated electro-acoustic reversible transducer is determined by the ratio

где значение коэффициента взаимности H указано выше (см. соотношения (5)-(7)).where the value of the reciprocity coefficient H is indicated above (see relations (5) - (7)).

Данное устройство имеет недостатки и ограничения в применении:This device has disadvantages and limitations in use:

1) пользуясь методом мнимых источников, рассмотрим распространение звуковых колебаний от мнимого излучателя 5' к градуируемому электроакустическому преобразователю 5 в режиме приема, разделенных отражающим экраном или плоской границей раздела 7 (фиг.1). Как следует из условия необходимости разделения излучаемого и принимаемого импульса, расстояние между преобразователями должно удовлетворять неравенству r'>Δt×c, Δt - длительность импульса, с, c - скорость звука в среде, м/с. Размеры преобразователей D, отражающего экрана Re и значение r' связаны соотношениями (см. Справочник по гидроакустике / А.П.Евтютов, А.П.Ляликов, В.Б.Митько, В.И.Пономаренко, А.Л.Простаков, Г.М.Свердлин, М.Д.Смарышев, Ю.Ф.Тарасюк, А.Е.Колесников - Л.: Судостроение, 1982. - c.215)1) using the method of imaginary sources, we consider the propagation of sound vibrations from an imaginary emitter 5 'to a graduated electro-acoustic transducer 5 in the receiving mode, separated by a reflective screen or a flat section 7 (Fig. 1). As follows from the condition of the necessity of separating the emitted and received pulses, the distance between the converters must satisfy the inequality r '> Δt × c, Δt is the pulse duration, s, c is the speed of sound in the medium, m / s. The sizes of the transducers D, the reflecting screen R e and the value of r 'are related by the relations (see the Reference for hydroacoustics / A.P. Evtyutov, A.P. Lyalykov, V. B. Mitko, V. I. Ponomarenko, A. L. Prostakov , G.M.Sverdlin, M.D.Smaryshev, Yu.F. Tarasyuk, A.E. Kolesnikov - L .: Shipbuilding, 1982. - p.215)

где λ - длина звуковой волны в среде. Таким образом, рассматриваемое устройство для самоградуировки на основе метода взаимности имеет ограничение по нижней границе частотного диапазона (от 15 кГц до 200 кГц) - чем ниже частота, тем больше должен быть как размер экрана, так и расстояние до него (например, если для 10 кГц - r'>0,9 м, Re>0,37 м, то для 1 кГц -r'>9 м, Re>3,7 м). Так, для излучателя с размером 1 м, работающем в воде на частоте 10 кГц (λ=0,15 м), сформировавшееся акустическое поле будет расположено не ближе, чем в 6 м от излучателя. Следует учитывать, что современные гидроакустические антенные системы, состоящие из набора отдельных электроакустических преобразователей, отличаются как большими размерами, доходящими до (8-12) м, так и низкими рабочими частотами, что требует для проведения измерений очень больших объемов воды и использования громоздкого дорогостоящего оборудования (см. Простаков А.Л. Гидроакустика и корабль - Л.: Судостроение, 1967, сс.18-26, 32-45, 91-102; Митько В.Б., Евтютов А.П., Гущин С.Е. Гидроакустические средства связи и наблюдения - Л.: Судостроение, 1982, сс.74-119).where λ is the sound wavelength in the medium. Thus, the device under consideration for self-calibration based on the reciprocity method has a limitation on the lower boundary of the frequency range (from 15 kHz to 200 kHz) - the lower the frequency, the larger the screen size and the distance to it (for example, if 10 kHz - r '> 0.9 m, R e > 0.37 m, then for 1 kHz -r'> 9 m, R e > 3.7 m). So, for a radiator with a size of 1 m operating in water at a frequency of 10 kHz (λ = 0.15 m), the generated acoustic field will be located no closer than 6 m from the radiator. It should be borne in mind that modern sonar antenna systems, consisting of a set of separate electro-acoustic transducers, differ in both large sizes, reaching (8-12) m, and low operating frequencies, which requires very large volumes of water to be measured and the use of bulky expensive equipment (see Prostakov A.L. Hydroacoustic and ship - L .: Shipbuilding, 1967, pp. 18-26, 32-45, 91-102; Mitko V.B., Evtyutov A.P., Gushchin S.E. Hydroacoustic communication and observation means - L .: Shipbuilding, 1982, pp. 74-119).

2) использование вместо вспомогательного излучателя мнимого источника, расположенного в воздушной среде на расстоянии r'/2 от границы раздела «вода-воздух», представляющего собой зеркальное отражение градуируемого электроакустического преобразователя, не в полной мере справедливо, так как в соответствии с лучевой теорией данная граница обладает некоторой прозрачностью: звуковое давление волны ослабляется примерно в 2000 раз (- 66 дБ), а прошедшая акустическая энергия составляет ~10-3 от падающей (- 30 дБ), что не учитывается при проведении расчетов и увеличивает погрешность косвенного измерения чувствительности в рабочем диапазоне частот;2) the use of an imaginary source instead of an auxiliary emitter located in air at a distance of r '/ 2 from the water-air interface, which is a mirror image of a graduated electro-acoustic transducer, is not fully valid, since in accordance with radiation theory this boundary possesses some opacity: sound pressure wave is attenuated at about 2000 times (- 66 dB), and passed acoustic energy is about 10 -3 of the incident (- 30 dB), which is not considered during calc comrade and increases the accuracy of indirect measurement sensitivity in the operating frequency range;

3) структурная схема рассматриваемого устройства для самоградуировки на основе метода взаимности не содержит блоков и связей, позволяющих в рабочем диапазоне частот осуществлять процедуру, устанавливающую соответствие характеристик «излучающего тракта» мнимого излучателя 5' (фиг.1) своим реальным параметрам, т.е. калибровку за счет экспериментального измерения существующей акустической прозрачности отражающей границы раздела;3) the structural diagram of the device under consideration for self-calibration based on the reciprocity method does not contain blocks and connections that allow in the working frequency range to carry out a procedure that establishes the correspondence of the characteristics of the "radiating path" of the imaginary emitter 5 '(Fig. 1) to its real parameters, i.e. calibration by experimental measurement of the existing acoustic transparency of the reflecting interface;

4) теоретическое исследование прозрачности границы раздела «вода-воздух» (см. Годин О.А. Прохождение низкочастотного звука из воды в воздух. Акуст. Журнал, т.53. 2007. - №3. - С.353-361) дает основание предположить наличие в низкочастотном диапазоне аномального увеличения прохождения неоднородных звуковых волн, формируемых источником, при условии, что граница раздела удалена от него на расстояния, сопоставимые с длиной волны излучения. Проведенные эксперименты дали положительный результат (см. Волощенко В.Ю., Волощенко А.П., Тарасов С.П. Экспериментальное исследование акустической прозрачности границы раздела вода-воздух для звуковых частот // Материалы 12-го междунар. науч.-практ. семинара «ПРАКТИКА И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПАРТНЕРСТВА В СФЕРЕ ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ», 12-14 апреля 2011 г., Донецк, том 2, с.29-32): например, при облучении границы раздела с помощью отдельной возбуждаемой секции цилиндрической антенны (D≈(0,1×0,1) м, λ=0,19 м, D2/λ≈0,05 м, ν=8 кГц) уменьшение заглубления (от 2 м до 0,1 м) дало увеличение коэффициента прохождения от (- 65 дБ) до (- 45 дБ) (фиг.2).4) a theoretical study of the transparency of the “water-air” interface (see O. Godin. Passage of low-frequency sound from water to air. Acoust. Journal, vol. 53. 2007. - No. 3. - S.353-361) gives it is reasonable to assume that in the low-frequency range there is an anomalous increase in the transmission of inhomogeneous sound waves generated by the source, provided that the interface is removed from it by distances comparable to the radiation wavelength. The experiments carried out gave a positive result (see Voloshchenko V.Yu., Voloshchenko A.P., Tarasov S.P. An experimental study of acoustic transparency of the water-air interface for sound frequencies // Materials of the 12th international scientific-practical. seminar “PRACTICE AND PROSPECTS FOR THE DEVELOPMENT OF PARTNERSHIP IN THE HIGHER SCHOOL”, April 12-14, 2011, Donetsk, volume 2, p.29-32): for example, when the interface is irradiated using a separate excited section of a cylindrical antenna (D≈ ( 0.1 × 0.1) m, λ = 0.19 m, D 2 / λ≈0.05 m, ν = 8 kHz) a decrease in the depth (from 2 m to 0.1 m) yielded the increase in the transmission coefficient from (- 65 dB) to (- 45 dB) (figure 2).

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности устройства для самоградуировки вследствие отсутствия учета акустической прозрачности границы раздела «вода-воздух», что снижает точность проводимых акустических измерений.The reason that impedes the achievement of the claimed technical result is the limited operational capabilities of the device for self-calibration due to the lack of consideration of the acoustic transparency of the water-air interface, which reduces the accuracy of the acoustic measurements.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор непрерывных колебаний, усилитель мощности, эталонное сопротивление, децибельный делитель, усилитель, осциллограф, бассейн, отражающая поверхность и акустически связанный с ней через среду распространения обратимый градуируемый преобразователь.Signs that coincide with the claimed object: a generator of continuous oscillations, a power amplifier, a reference impedance, a decibel divider, an amplifier, an oscilloscope, a pool, a reflecting surface and a reversible calibrated transducer acoustically connected to it through a propagation medium.

Задачей полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей устройства за счет учета влияния акустической прозрачности отражающей границы раздела «вода-воздух» на результаты измерений в рабочей полосе частот, что позволит осуществлять абсолютную самоградуировку электроакустического преобразователя с повышенной точностью.The objective of the utility model is to expand the operational capabilities of the device by taking into account the influence of acoustic transparency of the reflecting water-air interface on the measurement results in the working frequency band, which will allow absolute self-calibration of the electro-acoustic transducer with increased accuracy.

Технический результат полезной модели заключается в увеличении точности осуществления абсолютной самоградуировки акустических преобразователей за счет учета влияния акустической прозрачности отражающей границы раздела «вода-воздух».The technical result of the utility model is to increase the accuracy of absolute self-calibration of acoustic transducers by taking into account the influence of acoustic transparency of the reflecting water-air interface.

Технический результат достигается тем, что в устройство для абсолютной самоградуировки акустических преобразователей, содержащее генератор непрерывных колебаний, усилитель мощности, эталонное сопротивление, децибельный делитель, усилитель, осциллограф, бассейн, отражающую поверхность и акустически связанный с ней через среду распространения обратимый градуируемый преобразователь, дополнительно введены хронизатор-модулятор, приемный электроакустический преобразователь, предварительный усилитель, аналоговый ключ, счетно-решающий блок и блок управления; генератор непрерывных колебаний через хронизатор-модулятор соединен со входом усилителя мощности, дополнительный вход хронизатора-модулятора соединен через предварительный усилитель с выходом приемного электроакустического преобразователя, а дополнительный выход - с третьим входом аналогового ключа, первый и второй входы аналогового ключа соединены с выходом эталонного сопротивления и выходом обратимого градуируемого преобразователя (в режиме приема отраженного сигнала) соответственно, выход усилителя соединен со входом счетно-решающего блока, управляющие входы генератора непрерывных колебаний, хронизатора-модулятора, аналогового ключа, децибельного делителя, усилителя, осциллографа и счетно-решающего блока соединены с соответствующими выходами блока управления, причем, приемный электроакустический преобразователь расположен на акустической оси градуируемого преобразователя и может перемещаться вдоль вертикали, что позволяет производить последовательно измерения уровней акустических сигналов на отражающей границе раздела как в водной, так и в воздушной средах для измерения ее акустической прозрачности.The technical result is achieved by the fact that in the device for absolute self-calibration of acoustic transducers containing a continuous oscillator, power amplifier, reference impedance, decibel divider, amplifier, oscilloscope, pool, reflective surface and a reversible graduated transducer acoustically connected through it through the propagation medium, are additionally introduced chronizer-modulator, receiving electro-acoustic transducer, pre-amplifier, analogue key, counting unit and control unit; a continuous oscillator through a chrono-modulator is connected to the input of the power amplifier, an additional input of the chrono-modulator is connected through a pre-amplifier to the output of the receiving electro-acoustic transducer, and an additional output is connected to the third input of the analog key, the first and second inputs of the analog key are connected to the output of the reference resistance and the output of the reversible calibrated transducer (in the mode of receiving the reflected signal), respectively, the output of the amplifier is connected to the input of the The deciding unit, the control inputs of the continuous oscillator, chronizer-modulator, analogue key, decibel divider, amplifier, oscilloscope and counting-decisive unit are connected to the corresponding outputs of the control unit, and the receiving electro-acoustic transducer is located on the acoustic axis of the graduated transducer and can move along the vertical , which allows you to consistently measure the levels of acoustic signals at a reflecting interface both in water and in the air media for measuring its acoustic transparency.

Введенные блоки в совокупности с описанными связями позволят расширить эксплуатационные возможности устройства за счет экспериментального измерения акустической прозрачности отражающей границы раздела «вода-воздух» на каждой частоте рабочего диапазона градуировки, позволив увеличить точность абсолютной самоградуировки электроакустического преобразователя.The introduced units together with the described connections will allow expanding the operational capabilities of the device by experimentally measuring the acoustic transparency of the reflecting water-air interface at each frequency of the working calibration range, thereby increasing the accuracy of the absolute self-calibration of the electro-acoustic transducer.

На фиг.1. представлена схема поясняющая функционирование тракта калибровки устройства для градуировки обратимого акустического преобразователя на основе самовзаимности (5 - градуируемый электроакустический преобразователь, 7 - отражающая граница раздела, 5′, 5″ - мнимый излучатель - верхнее положение при отсутствии учета прозрачности, нижнее - при учете аномальной прозрачности), фиг.2 - графики изменения коэффициентов акустической прозрачности (прохождения) WP (1 - эксперимент, 2 - «лучевая» теория) от величины нормированного заглубления h/λ секции цилиндрической антенны при частоте излучения 8 кГц, фиг.3 - структурная схема устройства для абсолютной самоградуировки электроакустического преобразователя.In figure 1. a diagram is presented explaining the functioning of the calibration path of a device for calibrating a reversible acoustic transducer based on self-reciprocity (5 - calibrated electro-acoustic transducer, 7 - reflecting interface, 5 ′, 5 ″ - imaginary radiator - upper position when transparency is not taken into account, lower - when anomalous transparency is taken into account ), Fig. 2 - graphs of changes in the acoustic transparency (transmission) coefficients W P (1 - experiment, 2 - “ray” theory) versus the normalized depth depth h / λ of the qi section a linear antenna at a radiation frequency of 8 kHz, figure 3 is a structural diagram of a device for absolute self-calibration of an electro-acoustic transducer.

Устройство для абсолютной самоградуировки электроакустического преобразователя (фиг.3) функционально объединяет тракты:A device for absolute self-calibration of the electro-acoustic transducer (figure 3) functionally combines the paths:

1) излучения - генератор непрерывных колебаний 1 соединен через последовательно включенные хронизатор-модулятор 2 (канал импульсного модулятора) и усилитель мощности 3 с градуируемым электроакустическим преобразователем 5, находящемся в акустическом контакте с границей раздела 7 «вода-воздух» заполненного бассейна 6 и расположенном так, что ось основного лепестка характеристики направленности нормальна относительно указанной выше границы;1) radiation - a continuous oscillation generator 1 is connected through a series-connected chroniser-modulator 2 (pulse modulator channel) and a power amplifier 3 with a graduated electro-acoustic transducer 5, which is in acoustic contact with the water-air interface 7 of the filled pool 6 and located so that the axis of the main lobe of the directivity characteristic is normal relative to the above boundary;

2) калибровки - приемный электроакустический преобразователь 8 через предварительный усилитель 9 и хронизатор-модулятор 2 (канал стробирования в приеме) соединен с третьим входом аналогового ключа 10, причем, приемный электроакустический преобразователь 8 расположен как на оси основного лепестка градуируемого преобразователя 5, так и вблизи отражающей границы 7, причем, может перемещаться вдоль вертикали, что позволяет производить последовательно регистрацию уровней акустических сигналов на отражающей границе раздела как в водной, так и в воздушной средах для измерения ее акустической прозрачности, т.е. оценки ее отражательной способности;2) calibration - the receiving electro-acoustic transducer 8 through the pre-amplifier 9 and the chrono-modulator 2 (the sampling channel in the receiving) is connected to the third input of the analog switch 10, and the receiving electro-acoustic transducer 8 is located both on the axis of the main lobe of the graduated transducer 5 and near of the reflecting boundary 7, moreover, it can move along the vertical, which allows sequential registration of the levels of acoustic signals at the reflecting interface both in water and in air to measure its acoustic transparency, i.e. assessment of its reflectivity;

3) приема - аналоговый ключ 10 через децибельный делитель 11, усилитель 12 соединен со входами осциллографа 13 и счетно-решающего блока 14, причем, первый, второй и третий входы аналогового ключа 10 соединены с выходами градуируемого электроакустического преобразователя 5 в режиме приема, эталонного малого сопротивления 4 величиной R и канала стробирования в приеме хронизатора-модулятора 2 соответственного;3) reception - the analog switch 10 through the decibel divider 11, the amplifier 12 is connected to the inputs of the oscilloscope 13 and the computing unit 14, and the first, second and third inputs of the analog switch 10 are connected to the outputs of the graduated electro-acoustic transducer 5 in the reception mode, the reference small resistance 4 by the value of R and the gating channel in the reception of the chroniser-modulator 2, respectively;

4) управления функционированием блоков устройства - выходы блока управления 15 соединены с соответствующими управляющими входами генератора непрерывных колебаний 1, хронизатора-модулятора 2, аналогового ключа 10, децибельного делителя 11, усилителя 12, осциллографа 13 и счетно-решающего блока 144) control the functioning of the units of the device - the outputs of the control unit 15 are connected to the corresponding control inputs of the continuous oscillator 1, the chroniser-modulator 2, the analog key 10, the decibel divider 11, the amplifier 12, the oscilloscope 13 and the computing unit 14

Работа устройства для абсолютной самоградуировки акустического преобразователя происходит следующим образом. Генератор непрерывных колебаний 1 в излучающем тракте устройства вырабатывает электрический сигнал с частотой f.i (значение частоты f.i, i=1, 2, … определяется требуемой точностью измерений, полосой пропускания преобразователя и при проведении дальнейших замеров может синхронно перестраиваться с заданным шагом изменения по команде с блока управления 15), поступающий на вход канала импульсного модулятора в хронизаторе-модуляторе 2, приводящегося в рабочее состояние по команде с блока управления 15, в результате чего на выходе получаем радиоимпульс с гармоническим ВЧ заполнением. Хронизатор-модулятор 2 предназначен для работы в качестве как импульсного модулятора (первый канал), так и приемного стробирующего устройства (второй канал) 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 первого канала хронизатора-модулятора 2 через усилитель мощности 3 соединен со входами как градуируемого преобразователя 5, который излучает акустический импульс в водную среду бассейна 6, так и со вторым входом аналогового ключа 10, который на время излучения закрыт по команде с блока управления 15. В момент излучения первый вход аналогового ключа 10 подключен к выходу малого эталонного сопротивления 4, включенного последовательно с преобразователем 5, что необходимо для определения значения силы тока I его возбуждения посредством измерения в приемном тракте (11 - децибельный делитель, 12 - усилитель, 13 - осциллограф) величины падения напряжения U4=I×R на этом сопротивлении 4 величиной R. Градуируемый электроакустический преобразователь 5 расположен так, что ось основного лепестка характеристики направленности расположена нормально относительно границы раздела 7 «вода-воздух» заполненного бассейна 6, что позволяет осуществить акустический контакт с поверхностью и минимизировать нежелательные переотражения. Для достижения технического результата - увеличения точности самоградуировки за счет оценки акустической прозрачности границы раздела «вода-воздух» - следует использовать тракт калибровки предлагаемого устройства, позволяющий производить последовательно регистрацию уровней электрических сигналов (Uпад, Uпр на отражающей границе раздела 7, вырабатываемых приемным электроакустическим преобразователем 8, которые соответствуют акустическим сигналам как в водной (Pпад), так и в воздушной (Pпр) средах от градуируемого преобразователя 5. Данные электрические сигналы с выхода приемного электроакустического преобразователя 8 через предварительный усилитель 9 и канал стробирования в приеме хронизатора-модулятора 2 поступают на третий вход аналогового ключа 10, выход которого соединен с остальными блоками приемного тракта (11 - децибельный делитель, 12 - усилитель, 13 - осциллограф) и входом счетно-решающего блока 14, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами блока управления 15. С помощью тракта калибровки предлагаемого устройства необходимо на рабочей частоте экспериментально измерить величину акустической прозрачности границы 7 раздела «вода-воздух», на основании чего следует рассчитать поправочные коэффициенты (счетно-решающий блок 14). Напомним, что в основе работоспособности рассматриваемого устройства как средства измерения лежит то, что излученный импульс после отражения принимается тем же градуируемым преобразователем 5, что соответствует третьему этапу измерений в универсальном методе трех преобразователей на основе принципа взаимности (измеряются: I - ток возбуждения обратимого преобразователя, U3 - электрическое напряжение на выходе градуируемого преобразователя и расстояние r между обратимым и градуируемым преобразователями), а также предположение о том, что границу раздела «вода-воздух» принято считать полностью отражающей поверхностью. Однако известно, что звуковое давление при переходе волны из воды в воздух ослабляется примерно в 2000 раз, т.е. прошедший акустический сигнал (Pпр) составляет ~0,0005 раз или 0,05% от падающего Pпад (1 или 100%), в результате чего отраженный акустический сигнал (Pотр) незначительно, но меньше (0,9995 или 99,95%) в сравнении с падающим. Увеличения уровня отраженного (Pотр) акустического сигнала до уравнивания с падающим (Pпад) можно добиться за счет приближения к границе раздела точки расположения мнимого источника (например, из 5′ в 5″, которые удалены от градуируемого преобразователя 5 на расстояния r′ и r″ (соответственно), т.е. уменьшения расстояния r, величина которого входит в коэффициент взаимности (5)-(6), что исключит завышение расчетного значения искомой чувствительности градуируемого преобразователя 5. Приведем оценочные расчеты поправочных коэффициентов µ, позволяющих определять истинное значение чувствительности для градуируемого преобразователя 5, излучающего и принимающего сферические волны. Для описанного выше «классического» случая коэффициент прозрачности WP по давлению ≈0,05% и µ=0,99975, увеличение же акустической прозрачности отражающей границы раздела на 20 дБ (в 10 раз), 30 дБ (в 31,6 раз), 40 дБ (в 100 раз) задают диапазон изменения поправочного коэффициента µ от 0,9977 до 0,9747, что соответствует увеличению разности Δr=r′-r″ от 0,0021×r′ до 0,026×r′, т.е. сближению градуируемого преобразователя 5 и мнимого источника. Электроакустический преобразователь 5 трансформирует отраженный импульс звукового давления , вырабатывая импульсный электрический сигнал U3', который через третий вход аналогового ключа 10, децибельный делитель 11, усилитель 12 поступает на отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки осциллографа 13, с экрана которой производится отсчет величины напряжения U3, соответствующего отраженному от границы раздела «вода-воздух» сигналу. Чувствительность градуируемого электроакустического обратимого преобразователя 5 определяется соотношением (счетно-решающий блок 14)The operation of the device for absolute self-calibration of the acoustic transducer is as follows. The continuous oscillation generator 1 in the radiating path of the device generates an electric signal with a frequency f .i (the value of the frequency f .i , i = 1, 2, ... is determined by the required measurement accuracy, the passband of the converter and, when further measurements are taken, can be synchronously tuned with a given change step by command from the control unit 15), received at the input of the channel of the pulse modulator in the chronizer-modulator 2, which is brought into operation by the command from the control unit 15, as a result of which we obtain radio pulse with harmonic RF filling. Chronizer-modulator 2 is designed to operate as both a pulse modulator (first channel) and a receiving gating device (second channel) when conducting acoustic measurements in a pulsed mode in laboratory and field conditions, developed at the Department of Electro-Acoustics and Ultrasound Engineering 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, P.136 -142). The output of the first channel of the modulator 2 through the power amplifier 3 is connected to the inputs of both the graduated transducer 5, which emits an acoustic pulse into the water environment of the pool 6, and to the second input of the analog switch 10, which is closed for a while by the command from the control unit 15. At the time of radiation, the first input of the analog switch 10 is connected to the output of a small reference resistance 4, connected in series with the converter 5, which is necessary to determine the value of the current I of its excitation by means of rhenium in the receiving path (11 - decibel divider, 12 - amplifier, 13 - oscilloscope) voltage drop U4 = I × R at this resistance 4 of value R. The calibrated electro-acoustic transducer 5 is located so that the axis of the main lobe of the directivity is normal to the boundary Section 7 "water-air" of the filled pool 6, which allows for acoustic contact with the surface and minimize unwanted reflections. To achieve a technical result - to increase the accuracy of self-calibration by evaluating the acoustic transparency of the water-air interface - the calibration path of the proposed device should be used, which allows sequentially recording the levels of electrical signals (U pad , U pr at the reflecting interface of section 7 generated by the receiving electro-acoustic transducer 8, which correspond to acoustic signals both in water (P pad ) and in air (P ol ) media from a graduated transducer 5. These electrical signals from the output of the receiving electro-acoustic transducer 8 through the preamplifier 9 and the gating channel in the reception of the chrono-modulator 2 are fed to the third input of the analog switch 10, the output of which is connected to the remaining blocks of the receiving path (11 - decibel divider, 12 - amplifier, 13 - oscilloscope) and the input of the computing unit 14, the control inputs of which are connected to the corresponding outputs of the control unit 15. Using the calibration path of the proposed device, it is necessary on the working part It is necessary to experimentally measure the value of acoustic transparency of the border 7 of the “water-air” section, on the basis of which correction factors should be calculated (counting-decisive block 14). Recall that the operability of the device under consideration as a means of measurement is based on the fact that the emitted pulse after reflection is received by the same calibrated transducer 5, which corresponds to the third measurement step in the universal method of three transducers based on the reciprocity principle (measured: I is the excitation current of the reversible transducer, U 3 is the electrical voltage at the output of the graduated transducer and the distance r between the reversible and graduated transducers), as well as the assumption that the water-air interface is considered to be a completely reflective surface. However, it is known that the sound pressure during the transition of a wave from water to air is weakened by about 2000 times, i.e. the transmitted acoustic signal (P CR ) is ~ 0.0005 times or 0.05% of the incident P pad (1 or 100%), as a result of which the reflected acoustic signal (P neg ) is insignificant but smaller (0.9995 or 99, 95%) compared to falling. An increase in the level of the reflected (P neg ) acoustic signal before equalization with the incident (P pad ) can be achieved by approaching the location of the imaginary source (for example, from 5 ′ to 5 ″ that are distant from the calibrated transducer 5 by distances r ′ and r ″ (respectively), i.e., decreasing the distance r, the value of which is included in the reciprocity coefficient (5) - (6), which eliminates the overestimation of the calculated value of the desired sensitivity of the graduated transducer 5. We give the estimated calculations of the correction coefficients µ, pos olyayuschih determine the true value of sensitivity for the calibrated converter 5, the radiating and receiving spherical wave. In the above-described "classic" case W P transmittance pressure ≈0,05% and μ = 0,99975, increase the acoustic transparency of the reflective interface 20 dB (10 times), 30 dB (31.6 times), 40 dB (100 times) specify the range of correction factor µ from 0.9977 to 0.9747, which corresponds to an increase in the difference Δr = r′-r ″ from 0.0021 × r ′ to 0.026 × r ′, i.e. the convergence of the graduated transducer 5 and the imaginary source. Electro-acoustic transducer 5 transforms the reflected pulse of sound pressure By generating a pulsed electrical signal U3 ', which through the third input of the analog switch 10, the decibel divider 11, the amplifier 12 is fed to the deflecting plates of the cathode ray tube of the oscilloscope 13, from the screen of which the voltage U3 corresponding to the one reflected from the “water- air ”to the signal. The sensitivity of the graduated electro-acoustic reversible transducer 5 is determined by the ratio (counting-decisive block 14)

где в значении коэффициента взаимности H измеренное расстояние r′ между обратимым и градуируемым преобразователями домножено на полученный выше поправочный коэффициент µ, т.е. стало равным r″. Для значений увеличения акустической прозрачности: на 20 дБ, 30 дБ, 40 дБ - точность косвенных измерений чувствительности градуируемого преобразователя 5 будет повышена в 1,0023, 1,0076 и 1,026 раз соответственноwhere, in the value of the reciprocity coefficient H, the measured distance r ′ between the reversible and graduated transducers is multiplied by the correction coefficient µ obtained above, i.e. became equal to r ″. For the values of increase in acoustic transparency: by 20 dB, 30 dB, 40 dB - the accuracy of indirect measurements of the sensitivity of the calibrated transducer 5 will be increased by 1.0023, 1.0076 and 1.026 times, respectively

Проблема повышения точности метода достаточно актуальна. Так, для градуировки методом самовзаимности электроакустических преобразователей, используемых в медицинских эхолокационных системах, для рабочих частот 1 МГц и 2 МГц в непрерывном и импульсном режимах «традиционная» установка обеспечила погрешность ~30% и 20% соответственно (см. Reid J.M. Self-reciprocity Calibration of Echo-Ranging Transducers. JASA, 1974, vol.55, №4, p.862-868). Известно описание (см. R.B.Patterson. Using the Ocean Surface on a Reflector for the Self-Reciprocity Calibration of a Transducer. - JASA, 167, vol.36, p.1557) результатов использования метода самовзаимности для градуировки (точность ~±20 дБ) электроакустического преобразователя с рабочей частотой 1,78 кГц (длина волны 10 м) в океанских условиях, причем, его заглубление составило ~360 м. Внедрение в практику гидролокации больших антенн породило потребность в специальных методах их калибровки на малых расстояниях, в результате чего были разработаны два сложных и дорогостоящих варианта решения проблемы калибровки в ближнем поле. В первом методе используется гидрофон-зонд для измерения амплитуды и фазы давления в водной среде во многих точках в ближнем поле антенны, что позволяет рассчитать затем звуковое давление в дальнем поле (см. метод DRL - D.D.Baker. Determination of Far-Field Characteristics of Large Underwater Sound Transducers from Near-Field Measurements. - JASA, 1962, vol.34, p.1737). Второй (см. решетка Тротта - W.J.Trott. Underwater Sound Transducer Calibration from Nearfield Data. - JASA, 1964, vol.36, p.1557) базируется на использовании плоской антенной решетки, состоящей из малых источников звука (расстояние между ними ~0,8λ, максимальные размеры не должны превышать 0,1λ), в ближнем поле которой имеется область однородных плоских бегущих волн, в которую и помещается градуируемая антенна, причем, по принципу взаимности можно выполнить измерения, в которых решетка Тротта служит в качестве приемника для определения чувствительности большой антенны в режиме излучения.The problem of increasing the accuracy of the method is quite relevant. So, for the calibration by the method of self-reciprocity of electro-acoustic transducers used in medical echolocation systems, for operating frequencies of 1 MHz and 2 MHz in continuous and pulsed modes, the "traditional" installation provided an error of ~ 30% and 20%, respectively (see Reid JM Self-reciprocity Calibration of Echo-Ranging Transducers. JASA, 1974, vol. 55, No. 4, p. 862-868). The description is known (see RB Patterson. Using the Ocean Surface on a Reflector for the Self-Reciprocity Calibration of a Transducer. - JASA, 167, vol. 36, p. 1557) of the results of using the self-reciprocity method for calibration (accuracy ~ ± 20 dB ) an electro-acoustic transducer with an operating frequency of 1.78 kHz (wavelength 10 m) under ocean conditions, and its depth was ~ 360 m. The introduction of large antennas into the practice of sonar created the need for special methods for calibrating them at short distances, which resulted in Two complex and expensive solutions to the problem of near field librations. The first method uses a hydrophone probe to measure the amplitude and phase of the pressure in the aquatic environment at many points in the near field of the antenna, which then allows you to calculate sound pressure in the far field (see DRL - DDBaker method. Determination of Far-Field Characteristics of Large Underwater Sound Transducers from Near-Field Measurements. - JASA, 1962, vol. 34, p. 1737). The second (see Trott grating - WJTrott. Underwater Sound Transducer Calibration from Nearfield Data. - JASA, 1964, vol. 36, p. 1557) is based on the use of a flat antenna array consisting of small sound sources (the distance between them is ~ 0, 8λ, the maximum dimensions should not exceed 0.1λ), in the near field of which there is a region of homogeneous plane traveling waves into which the calibrated antenna is placed, and, on the principle of reciprocity, it is possible to perform measurements in which the Trott grating serves as a receiver for determining the sensitivity large antenna in radiating mode i.

Claims (1)

Устройство для абсолютной самоградуировки электроакустического преобразователя, содержащее генератор непрерывных колебаний, усилитель мощности, эталонное сопротивление, децибельный делитель, усилитель, осциллограф, бассейн, отражающую поверхность и акустически связанный с ней через среду распространения обратимый градуируемый преобразователь, отличающееся тем, что в него дополнительно введены хронизатор-модулятор, приемный электроакустический преобразователь, предварительный усилитель, аналоговый ключ, счетно-решающий блок и блок управления; генератор непрерывных колебаний через хронизатор-модулятор соединен со входом усилителя мощности, дополнительный вход хронизатора-модулятора соединен через предварительный усилитель с выходом приемного электроакустического преобразователя, а дополнительный выход - с третьим входом аналогового ключа, первый и второй входы аналогового ключа соединены с выходом эталонного сопротивления и выходом обратимого градуируемого преобразователя (в режиме приема отраженного сигнала) соответственно, выход усилителя соединен со входом счетно-решающего блока, управляющие входы генератора непрерывных колебаний, хронизатора-модулятора, аналогового ключа, децибельного делителя, усилителя, осциллографа и счетно-решающего блока соединены с соответствующими выходами блока управления, причем приемный электроакустический преобразователь расположен на акустической оси градуируемого преобразователя и может перемещаться вдоль вертикали, что позволяет производить последовательно измерения уровней акустических сигналов на отражающей границе раздела как в водной, так и в воздушной средах для измерения ее акустической прозрачности.
Figure 00000001
A device for absolute self-calibration of an electro-acoustic transducer containing a continuous oscillator, power amplifier, reference impedance, decibel divider, amplifier, oscilloscope, pool, reflective surface and a reversible calibrated transducer acoustically connected through it through the propagation medium, characterized in that a chronizer is additionally introduced into it -modulator, receiving electro-acoustic transducer, pre-amplifier, analog key, computing unit and bl ok management; a continuous oscillator through a chrono-modulator is connected to the input of the power amplifier, an additional input of the chrono-modulator is connected through a pre-amplifier to the output of the receiving electro-acoustic transducer, and an additional output is connected to the third input of the analog key, the first and second inputs of the analog key are connected to the output of the reference resistance and the output of the reversible calibrated transducer (in the mode of receiving the reflected signal), respectively, the output of the amplifier is connected to the input of the the deciding unit, the control inputs of the continuous oscillator, chronizer-modulator, analog key, decibel divider, amplifier, oscilloscope and counting-decisive unit are connected to the corresponding outputs of the control unit, and the receiving electro-acoustic transducer is located on the acoustic axis of the graduated transducer and can move along the vertical, which makes it possible to sequentially measure the levels of acoustic signals at a reflecting interface both in water and in air media for measuring its acoustic transparency.
Figure 00000001
RU2012118296/28U 2012-05-03 2012-05-03 ACOUSTIC CONVERTER SELF-GRADING DEVICE RU121113U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012118296/28U RU121113U1 (en) 2012-05-03 2012-05-03 ACOUSTIC CONVERTER SELF-GRADING DEVICE

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012118296/28U RU121113U1 (en) 2012-05-03 2012-05-03 ACOUSTIC CONVERTER SELF-GRADING DEVICE

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU121113U1 true RU121113U1 (en) 2012-10-10

Family

ID=47080013

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012118296/28U RU121113U1 (en) 2012-05-03 2012-05-03 ACOUSTIC CONVERTER SELF-GRADING DEVICE

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU121113U1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2535643C1 (en) * 2013-08-21 2014-12-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Method for calibration of hydrophones by reciprocity method
RU2537746C1 (en) * 2013-08-21 2015-01-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Method of calibrating hydrophones by comparison
RU2782354C2 (en) * 2020-07-28 2022-10-26 Общество с ограниченной ответственностью "НЕЛАКС" Apparatus for grading electroacoustic transducers

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2535643C1 (en) * 2013-08-21 2014-12-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Method for calibration of hydrophones by reciprocity method
RU2537746C1 (en) * 2013-08-21 2015-01-10 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) Method of calibrating hydrophones by comparison
RU2782354C2 (en) * 2020-07-28 2022-10-26 Общество с ограниченной ответственностью "НЕЛАКС" Apparatus for grading electroacoustic transducers
RU2821706C1 (en) * 2023-12-26 2024-06-26 Общество с ограниченной ответственностью "ГидроМаринн" Method for absolute calibration of emitting and receiving electroacoustic transducers of antenna unit of acoustic doppler current profile recorder

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN109302667B (en) Method and device for rapidly measuring broadband sending response of underwater acoustic emission transducer
CN110186546B (en) Hydrophone sensitivity free field broadband calibration method based on pink noise
CN109443515B (en) System and method for testing sensitivity of small-size hydrophone in air
US11624848B2 (en) Underwater acoustic test system and method
CN103471998B (en) Thermoplastic material reflection and transmission coefficients laser measurement system
Cochard et al. Underwater acoustic noise measurement in test tanks
RU2133047C1 (en) Parametric echo-pulse sonar
CN110109125B (en) Spherical focusing phased parametric array acoustic detection device
RU121113U1 (en) ACOUSTIC CONVERTER SELF-GRADING DEVICE
Trots et al. Golay coded sequences in synthetic aperture imaging systems
Wang et al. Measurement of radiated ship noise
US11194046B2 (en) Multiple frequency side-scan sonar
Chu et al. Calibration of a broadband acoustic transducer with a standard spherical target in the near field
RU69646U1 (en) PARAMETRIC ECHO-PULSE LOCATOR
Prieur et al. Theoretical improvements when using the second harmonic signal in acoustic Doppler current profilers
Menakath et al. k-Wave as a Modelling Tool for Underwater Acoustical Imaging
RU2782354C2 (en) Apparatus for grading electroacoustic transducers
RU98254U1 (en) MULTI-FREQUENCY CORRELATION HYDROACOUSTIC LAG
RU2821706C1 (en) Method for absolute calibration of emitting and receiving electroacoustic transducers of antenna unit of acoustic doppler current profile recorder
Bazulin The use of the inverse C-SAFT method for equalizing the spatial sensitivity of reflector images
RU178896U1 (en) ACOUSTIC HYDROLOCATION DEVICE
Barmak et al. Reconstruction of the time dependence and signal parameters of far-field extended wideband sources: Part 2. Reconstruction of the directivity pattern of a moving source
CN107894275A (en) A kind of computational methods of limited water field measurement low-frequency minimum
RU2535643C1 (en) Method for calibration of hydrophones by reciprocity method
Ardid et al. A Compact Array Transducer for Full Calibration of Underwater Acoustic Detection Neutrino Telescopes

Legal Events

Date Code Title Description
MM1K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20140504