RU2563603C1

RU2563603C1 - Способ определения чувствительности по полю гидроакустического приемника

Info

Publication number: RU2563603C1
Application number: RU2014140074/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Евгеньевич Исаев
Priority date: 2014-10-03
Filing date: 2014-10-03
Publication date: 2015-09-20

Abstract

Изобретение относится к акустической метрологии, в частности к способу определения чувствительности гидроакустического приемника. Согласно способу излучатель, эталонный гидрофон с известной чувствительностью и градуируемый приемник располагают в бассейне с водой при известных расстояниях между излучателем и приемником и излучателем и опорным гидрофоном. Излучатель возбуждают электрическим сигналом и измеряют ток через излучатель и выходные напряжения приемника и опорного гидрофона. Определяют передаточные импедансы по полю пары излучатель - градуируемый приемник и пары излучатель - опорный гидрофон. Определяют чувствительность по полю градуируемого гидроакустического приемника к звуковому давлению по формуле метода сличения. Чувствительность по полю гидроакустического приемника к векторным величинам гидроакустического поля определяют, основываясь на связи между звуковым давлением и измеряемой приемником векторной величиной в свободном поле сферической звуковой волны, пересчитывая результат к условиям плоской бегущей звуковой волны. Технический результат - повышение точности измерений за счет расширения контролируемого частотного диапазона. 1 ил.

Description

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для градуировки (определения чувствительности) по полю векторного гидроакустического приемника.

К настоящему времени благодаря совершенствованию конструкции векторных гидроакустических приемников частотный диапазон векторно-фазовых измерений удалось расширить до 12,5 кГц, что потребовало соответствующего расширения частотного диапазона и разработки новых методов градуировки векторных приемников.

Известен способ градуировки векторного гидроакустического приемника в поле стоячей звуковой волны, которое создают в вертикальном столбе жидкости, колеблющемся в жесткой акустической камере, имеющей вид открытой сверху трубы [1, 2].

Недостаток известного способа состоит в том, что его возможности ограничены частотой 1-2 кГц (так называемой критической частотой камеры). Попытки выполнить в камере градуировки на более высоких частотах приводят к значительному увеличению погрешности результата, что обусловлено как усложнением математической модели камеры, так и возрастающими с частотой искажениями звукового поля устанавливаемым в камеру градуируемым векторным приемником с его системой крепления.

За прототип принят способ определения чувствительности гидроакустического приемника звукового давления методом сравнения в свободном поле, который применяют на частотах от единиц килогерц и выше для градуировки гидрофона [3, 4]. Метод сравнения состоит в том, что градуируемый приемник и опорный гидрофон с известной чувствительностью подвергают воздействию звуковых давлений, одинаковых или связанных известной зависимостью.

Прототип заключается в расположении в измерительном бассейне с водой излучателя Р, опорного гидрофона Η с известной чувствительностью M_H и градуируемого приемника R при известных расстояниях r_PR между излучателем и приемником и r_PH между излучателем и опорным гидрофоном достаточно больших для формирования на приемнике и опорном гидрофоне локально-плоской сферической звуковой волны излучателя, возбуждении излучателя электрическим сигналом, измерении тока через излучатель и выходных напряжений приемника и опорного гидрофона, определении передаточных импедансов по полю Z_PR пары излучатель - градуируемый приемник и Z_PH пары излучатель - опорный гидрофон, определении чувствительности по полю M_R градуируемого гидроакустического приемника к звуковому давлению по формуле

Недостатком прототипа является то, что способ позволяет определить только чувствительность к звуковому давлению (скалярной величине гидроакустического поля), поэтому его возможности сегодня ограничены градуировкой гидрофонов (гидроакустических приемников звукового давления).

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является расширение возможностей взятого за прототип способа определения чувствительности по полю гидроакустического приемника за счет обеспечения возможности градуировать по полю гидроакустический векторный приемник (приемник градиента и биградиента звукового давления, колебательной скорости и ускорения и т.п.) в расширенном до 12,5 кГц и выше частотном диапазоне.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном способе, заключающемся в расположении в измерительном бассейне с водой излучателя P, опорного гидрофона H с известной чувствительностью M_H и градуируемого приемника R при известных расстояниях r_PR между излучателем и приемником и r_PH между излучателем и опорным гидрофоном достаточно больших для формирования на приемнике и опорном гидрофоне локально-плоской сферической звуковой волны излучателя, возбуждении излучателя электрическим сигналом, измерении тока через излучатель и выходных напряжений приемника и опорного гидрофона, определении передаточных импедансов по полю Z_PR пары излучатель - градуируемый приемник и Z_PH пары излучатель - опорный гидрофон, определении чувствительности по полю M_R градуируемого гидроакустического приемника к звуковому давлению по формуле

чувствительность

M_{R}^{'}

по полю гидроакустического приемника к векторным величинам гидроакустического поля определяют по формуле

где

для гидроакустического приемника градиента звукового давления,

для приемника колебательной скорости частиц воды, k=2π/λ - волновое число, λ - длина звуковой волны, c - скорость звука в воде, ρ - плотность воды).

Изобретение поясняется чертежом, где представлена схема расположения преобразователей в измерительном бассейне при градуировке гидроакустического векторного приемника. Гидрофон H с известной частотной характеристикой чувствительности M_H (опорный гидрофон) и векторный гидроакустический приемник R располагают в измерительном бассейне на одной прямой с излучателем Р. Расстояния r_PH между гидрофоном и излучателем и r_PR между векторным приемником и излучателем выбирают такими, чтобы падающую на гидрофон и приемник сферическую волну излучателя можно считать локально плоской.

Возможность градуировки по полю векторного приемника методом сравнения с опорным гидрофоном поясним на примере приемника градиента звукового давления (ПГД).

В поле сферической волны звуковое давление пропорционально электрическому току через излучатель и изменяется обратно пропорционально расстоянию до излучателя. В точках, удаленных на расстояния r_PR и r_PH от излучателя, звуковые давления P_sph(r_PR) и P_sph(r_PH) связаны соотношением

где I_PR и I_PH - ток через излучатель при приеме сигнала излучателя ПГД и опорный гидрофон соответственно.

При этом на расстоянии r_PR от излучателя модуль градиента звукового давления

связан со звуковым давлением P_sph(r_PR) соотношением [1]:

где

k=2π/λ - волновое число, λ - длина звуковой волны, c - скорость звука в воде).

Для выходных напряжений ПГД U_R и опорного гидрофона U_H можем записать:

где M_R и M_H - соответственно чувствительность ПГД и опорного гидрофона.

В предположении, что чувствительность опорного гидрофона M_H известна, и учитывая соотношение (1) для звуковых давлений, из (2) и (3) получим выражение для чувствительности ПГД:

где

Z_{P R} = \frac{U_{R}}{I_{P R}}

и

Z_{P H} = \frac{U_{H}}{I_{P Y}}

- передаточные импедансы пары излучатель - ПГД и пары излучатель - опорный гидрофон соответственно.

Гидроакустический векторный приемник градуируют, основываясь на устанавливаемой теоретически и подтверждаемой экспериментально связи между звуковым давлением и измеряемой приемником векторной величиной гидроакустического поля, реализуемого в эксперименте. При измерениях в море векторный приемник находится на достаточном удалении от источника звука, и на него падает плоская бегущая звуковая волна. Поэтому при градуировке векторного приемника определяют чувствительность по полю, пересчитывая полученный результат к условиям, как если бы приемник находился в поле плоской бегущей звуковой волны.

Литература

1. Гордиенко В.А. Векторно-фазовые методы в акустике. М.: Физматлит, 2007. 480 с.

2. В.А. Гордиенко, Б.И. Гончаренко, С.С. Задорожный, М.В. Старкова. Расширение диапазона градуировки векторных приемников в неоднородном поле измерительных камер в сторону высоких частот // Акуст. журн. 2012, том 58, №5, с. 623-627.

3. Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения. / Пер. с англ. под ред. А.Н. Голенкова. М.: Мир. 1974.

4. МЭК 60565:2006 Гидроакустика. Гидрофоны. Калибровка в частотном диапазоне от 0,01 Гц до 1 МГц (IEC 60565:2006 Underwater acoustics - Hydrophones - Calibration in the frequency range 0,01 Hz to 1MHz).

Claims

Способ определения чувствительности по полю гидроакустического приемника, заключающийся в расположении в измерительном бассейне с водой излучателя Р, опорного гидрофона $H$
с известной чувствительностью M_H и градуируемого приемника R при известных расстояниях $r_{P R}^{}$
между излучателем и приемником и r_PH между излучателем и опорным гидрофоном, достаточно больших для формирования на приемнике и опорном гидрофоне локально-плоской сферической звуковой волны излучателя, возбуждении излучателя электрическим сигналом, измерении тока через излучатель и выходных напряжений приемника и опорного гидрофона, определении передаточных импедансов по полю Z_PR пары излучатель - градуируемый приемник и Z_PH пары излучатель - опорный гидрофон, определении чувствительности по полю M_R градуируемого гидроакустического приемника к звуковому давлению по формуле

отличающийся тем, что чувствительность M′_R по полю гидроакустического приемника к векторным величинам гидроакустического поля определяют по формуле

где
для гидроакустического приемника градиента звукового давления,

для приемника колебательной скорости частиц воды, $k = 2 π / λ$
- волновое число, $λ$
- длина звуковой волны, с - скорость звука в воде, $ρ$
- плотность воды).