RU2782354C2 - Apparatus for grading electroacoustic transducers - Google Patents

Apparatus for grading electroacoustic transducers Download PDF

Info

Publication number
RU2782354C2
RU2782354C2 RU2021117347A RU2021117347A RU2782354C2 RU 2782354 C2 RU2782354 C2 RU 2782354C2 RU 2021117347 A RU2021117347 A RU 2021117347A RU 2021117347 A RU2021117347 A RU 2021117347A RU 2782354 C2 RU2782354 C2 RU 2782354C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
transducers
frequency
receiving
electroacoustic
acoustic
Prior art date
Application number
RU2021117347A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2021117347A (en
Inventor
Вадим Юрьевич Волощенко
Антон Юрьевич Плешков
Сергей Павлович Тарасов
Петр Петрович Пивнев
Василий Алексеевич Воронин
Александр Петрович Волощенко
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "НЕЛАКС"
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "НЕЛАКС" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "НЕЛАКС"
Priority to RU2021117347A priority Critical patent/RU2782354C2/en
Publication of RU2021117347A publication Critical patent/RU2021117347A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2782354C2 publication Critical patent/RU2782354C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: measuring equipment.
SUBSTANCE: invention relates to the field of acoustic measurements and hydroacoustics. Apparatus for grading electroacoustic transducers comprises an emitting path including a harmonic oscillation generator, a pulse modulator, a synchroniser, a power amplifier, a frequency meter, an emitting electroacoustic transducer, a receiving path including a reference receiving electroacoustic transducer and the graded one, an analogue key for switching the receiving electroacoustic transducers, an amplifier, a filter unit, a strobe unit, a control unit for the emitting and receiving paths, and a plugged pool for placing the electroacoustic transducers, containing a coordinate system for installing and moving the transducers. The novel feature of the invention consists in additionally including a second harmonic oscillation generator, an adder, an amplitude detector, a low-frequency filter, a matching amplifier and a band-rejection filter into the emitting path, wherein the outputs of both harmonic oscillation generators are connected with the two signal inputs of the adder, the first output whereof is connected via the pulse modulator, the matching amplifier, the power amplifier and the band-rejection filter with the input of the emitting electroacoustic transducer, the second output of the adder is connected via the amplitude detector and the low-frequency filter with the signal input of the frequency meter, and the outputs of the control unit are connected with the control inputs of both harmonic oscillation generators, the synchroniser, the frequency meter, and the analogue key.
EFFECT: apparatus for grading electroacoustic transducers has expanded operating capabilities of the apparatus and increases the accuracy and frequency range of measurements.
3 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к области акустических измерений и может быть использовано для измерения как частотной зависимости чувствительности в режиме приема (излучения), так и характеристики направленности (ХН) электроакустического преобразователя в заданном диапазоне частот. Преимущественная область использования - акустические измерения и гидроакустика.The invention relates to the field of acoustic measurements and can be used to measure both the frequency dependence of the sensitivity in the mode of reception (radiation) and the directivity characteristic (CH) of an electroacoustic transducer in a given frequency range. The predominant area of use is acoustic measurements and hydroacoustics.

В гидроакустической аппаратуре для измерения звуковых давлений в водной среде используются гидрофоны, предварительно отградуированные с помощью эталонных средств измерений (см. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П. Голямина. - М.: «Сов. энциклопедия», 1979, 400 с. Гидрофон, с. 85-86). С увеличением количества выпускаемой гидроакустической аппаратуры, в состав которых входят измерительные гидрофоны, возникает проблема разработки новых образцовых средств измерений, позволяющих проводить градуировку в свободном поле с меньшей погрешностью (менее 1 дБ) при большей доверительной вероятности (более 0,68). При практической реализации этих задач в метрологии большое внимание уделяется уменьшению габаритов аппаратуры, повышению ее производительности, а также проектированию средств измерений, обладающих излучающем трактом с малоизменяющимися в широкой полосе частот акустическими параметрами (см. Блинова Л.П., Колесников А.Е., Ланганс Л.Б. Акустические измерения. - М.: Изд-во стандартов, 1971. - 271 с. Глава 1. Общие вопросы акустической метрологии, с. 5 - 41). Известны основные требования к измерительной установке, используемой как при аттестации гидрофонов, так и при измерении ХН гидроакустических преобразователей в свободном поле: 1) звуковое давление, создаваемое электроакустическим излучателем, должно обеспечивать в приемном тракте отношение сигнал/шум не менее 10 дБ (см. МИ 2140 - 91 ГСИ Приемники (гидрофоны) гидроакустические измерительные. Требования к разработке методик аттестации и поверок http://normacs.ru/Doclist/doc/11ВС1.html дата обращения 1.12.2019); 2)размер апертуры электроакустического преобразователя должен обеспечивать условие проведения измерений в дальнем поле, а его конструкция не должна увеличивать время реверберации в измерительном бассейне; 3) изменение частотной характеристика излучателя в рабочем диапазоне должно быть монотонным без резких спадов и подъемов; 4) ХН излучателя должна иметь малый уровень бокового поля (около - 20 дБ) при малоизменяющейся ширине основного лепестка (уровень - 3 дБ по звуковому давлению) во всем диапазоне рабочих частот; 5) стабильность характеристик излучателя во времени при различных климатических условиях (давление, температура, влажность). Однако в настоящее время измерительные установки не полностью соответствуют комплексу требований, в частности, работоспособность на дискретных рабочих частотах обеспечивается применением набора интерференционных электроакустических преобразователей, обладающих значительной неравномерностью как частотных характеристик, так и формирующегося ультразвукового поля, что ограничивает эксплуатационные возможности устройств.In hydroacoustic equipment for measuring sound pressure in the aquatic environment, hydrophones are used, previously calibrated using standard measuring instruments (see Ultrasound. Little Encyclopedia. Chief ed. I.P. Golyamin. - M .: "Sov. Encyclopedia", 1979, 400 pp. Hydrophone, pp. 85-86). With an increase in the number of hydroacoustic equipment produced, which include measuring hydrophones, the problem arises of developing new exemplary measuring instruments that allow calibration in a free field with a smaller error (less than 1 dB) with a higher confidence level (more than 0.68). In the practical implementation of these tasks in metrology, much attention is paid to reducing the size of equipment, increasing its productivity, as well as designing measuring instruments that have a radiating path with acoustic parameters that do not change much over a wide frequency band (see Blinova L.P., Kolesnikov A.E., Langans LB Acoustic measurements - M.: Publishing House of Standards, 1971. - 271 pp. Chapter 1. General issues of acoustic metrology, pp. 5 - 41). The main requirements for the measuring setup used both in the certification of hydrophones and in measuring the characteristic curves of hydroacoustic transducers in the free field are known: 2140 - 91 GSI Hydroacoustic measuring receivers (hydrophones. Requirements for the development of certification and verification methods http://normacs.ru/Doclist/doc/11BC1.html accessed 1.12.2019); 2) the size of the aperture of the electroacoustic transducer must ensure the conditions for carrying out measurements in the far field, and its design must not increase the reverberation time in the measuring pool; 3) the change in the frequency response of the radiator in the operating range should be monotonous without sharp drops and rises; 4) XH of the emitter should have a low level of the side field (about - 20 dB) with a little changing width of the main lobe (level - 3 dB in terms of sound pressure) in the entire operating frequency range; 5) the stability of the characteristics of the emitter over time under various climatic conditions (pressure, temperature, humidity). However, at present, measuring installations do not fully comply with a set of requirements, in particular, operability at discrete operating frequencies is ensured by using a set of interference electroacoustic transducers that have a significant unevenness of both frequency characteristics and the emerging ultrasonic field, which limits the operational capabilities of the devices.

Известно устройство для относительной градуировки методом сличения электроакустических преобразователей - излучателей звука и приемников звукового давления (см. Справочник по гидроакустике. - Л. «Судостроение», 1982, Глава 7, § 7.3 Градуировка акустических измерительных трактов, с. 218-219), содержащее генератор гармонических колебаний, импульсный модулятор, синхронизатор, усилитель мощности, первый измеритель амплитуды, излучающий электроакустический преобразователь, акустически связанный через среду распространения с двумя приемными электроакустическими преобразователями - образцовым и испытуемым, заглушенный бассейн, оборудованный координатной системой для установки и перемещения преобразователей, аналоговый ключ для коммутации приемных преобразователей, усилитель, полосовой фильтр, стробируемый блок, осциллограф, самописец.A device is known for relative calibration by comparing electroacoustic transducers - sound emitters and sound pressure receivers (see Hydroacoustics Handbook. - L. "Shipbuilding", 1982, Chapter 7, § 7.3 Graduation of acoustic measuring paths, pp. 218-219), containing harmonic oscillation generator, pulse modulator, synchronizer, power amplifier, first amplitude meter, radiating electro-acoustic transducer, acoustically connected through a propagation medium with two receiving electro-acoustic transducers - a reference and a test one, a plugged-in pool equipped with a coordinate system for installing and moving transducers, an analog key for switching of receiving transducers, amplifier, band-pass filter, gated block, oscilloscope, recorder.

Устройство работает следующим образом. В излучающем тракте формируется электрический радиоимпульсный сигнал с заданной амплитудой U1 и частотой ƒ.ii/2π (i = 1, 2, …, - количество проводимых измерений, частоты находятся в полосе пропускания), который поступает на электроакустический преобразователь, излучающий ультразвуковой импульс в среду распространения. Образцовый и градуируемый электроакустические преобразователи, обладающие чувствительностями по звуковому давлению - известной

Figure 00000001
и неизвестной
Figure 00000002
соответственно, являются приемниками звукового давления, расположены рядом и без «затенения» на акустической оси излучающего электроакустического преобразователя в его дальней зонеThe device works as follows. In the radiating path, an electric radio pulse signal is formed with a given amplitude U1 and frequency ƒ .ii /2π (i = 1, 2, ..., - the number of measurements, the frequencies are in the passband), which is fed to an electroacoustic transducer that emits ultrasonic impulse to the propagation medium. Exemplary and calibrated electro-acoustic transducers with sound pressure sensitivities - known
Figure 00000001
and unknown
Figure 00000002
respectively, they are sound pressure receivers, located side by side and without "shading" on the acoustic axis of the emitting electroacoustic transducer in its far zone

Figure 00000003
Figure 00000003

т.е. на удалении, большем длины дифракционной расходимости

Figure 00000004
акустического пучка (D=2а - диаметр излучающего электроакустического 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 электроакустических преобразователей от различных участков колеблющейся поверхности излучающего электроакустического преобразователя. В ближней прожекторной зоне (зоне Френеля) протяженностью
Figure 00000005
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, Глава 7 Параметры аппаратуры в режиме излучения, § 7.1 Характеристики направленности антенн, с. 92-93.). Образцовый и градуируемый электроакустический преобразователи преобразуют достигший их ультразвуковой импульс в электрические сигналы с амплитудами
Figure 00000006
и,
Figure 00000007
которые после усиления, фильтрации и стробирования фиксируются осциллографом и самописцем. Это позволит исследователю для необходимых спектральных составляющих (ƒi) частотного диапазона измерений рассчитать значения:those. at a distance greater than the length of the diffraction divergence
Figure 00000004
acoustic beam (D=2 and - the diameter of the radiating electro-acoustic transducer, ω i - the cyclic frequency of the i-th exciting signal, C 0 - 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 coming to the location of the exemplary and calibrated electroacoustic transducers from different parts of the oscillating surface of the radiating electroacoustic transducer. In the near searchlight zone (Fresnel zone) with a length
Figure 00000005
with a 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 (see Yu. Shipbuilding, 1986, Chapter 7 Equipment parameters in the radiation mode, § 7.1 Directional characteristics of antennas, pp. 92-93.). Exemplary and calibrated electro-acoustic transducers convert the ultrasonic pulse that has reached them into electrical signals with amplitudes
Figure 00000006
and,
Figure 00000007
which, after amplification, filtering and strobing, are recorded by an oscilloscope and a recorder. This will allow the researcher to calculate the values for the required spectral components (ƒi) of the measurement frequency range:

1) чувствительности по звуковому давлению в режиме приема для градуируемого электроакустического преобразователя1) sound pressure sensitivity in the receiving mode for a calibrated electroacoustic transducer

Figure 00000008
Figure 00000008

2) чувствительности электроакустического преобразователя в режиме излучения

Figure 00000009
2) the sensitivity of the electroacoustic transducer in the radiation mode
Figure 00000009

где

Figure 00000010
- величины звукового давления в точке приема, измеренные образцовым приемным преобразователем.where
Figure 00000010
- values of sound pressure at the point of reception, measured by the exemplary 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 электроакустический преобразователь, причем, точность измерений ограничивается погрешностью выполнения градуировки образцового электроакустического преобразователя;1) for measurements, an exemplary receiving electroacoustic transducer is required, and the measurement accuracy is limited by the error in performing the calibration of the exemplary electroacoustic transducer;

2) рабочий диапазон частот устройства ограничен рабочими диапазонами как образцового, так и излучающего электроакустических преобразователей, причем, для работоспособности устройства в широком диапазоне частот необходимо несколько образцовых электроакустических преобразователей;2) the operating frequency range of the device is limited by the operating ranges of both exemplary and radiating electro-acoustic transducers, and for the device to work in a wide frequency range, several exemplary electro-acoustic transducers are required;

3) при проведении относительной градуировки методом сличения соблюдается единство времени проведения измерений, т.к. оба электроакустических приемных преобразователя одновременно подвергаются облучению ультразвуком, но не выполняется условие единства места их расположения - это требует учета как направленных свойств электроакустических излучателя и обоих приемников, так и влияния отражающих поверхностей бассейна, что снижает точность измерений; 4) в пределах протяженного участка ближней зоны дифракции излучающего электроакустического преобразователя применение устройства дает существенную погрешность измерений.3) when carrying out a relative calibration by the method of comparison, the unity of the measurement time is observed, because both electroacoustic receiving transducers are simultaneously exposed to ultrasound, but the condition of unity of their location is not met - this requires taking into account both the directional properties of the electroacoustic emitter and both receivers, and the influence of the reflecting surfaces of the pool, which reduces the measurement accuracy; 4) within an extended section of the near zone of diffraction of a radiating electroacoustic transducer, the use of the device gives a significant measurement error.

Вышеперечисленные недостатки ограничивают эксплуатационные возможности устройства, что снижает точность и частотный диапазон измерений.The above disadvantages limit the operational capabilities of the device, which reduces the accuracy and frequency range of measurements.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор гармонических колебаний, импульсный модулятор, синхронизатор, усилитель мощности, электроакустический излучающий преобразователь, акустически связанный через среду распространения с приемным градуируемым электроакустическим преобразователем, заглушенный бассейн, оборудованный координатной системой для установки и перемещения преобразователей, аналоговый ключ для коммутации приемных преобразователей, усилитель, полосовой фильтр, стробируемый блок, осциллограф, самописец.Features that coincide with the claimed object: a harmonic oscillation generator, a pulse modulator, a synchronizer, a power amplifier, an electro-acoustic radiating transducer, acoustically connected through a propagation medium with a receiving calibrated electro-acoustic transducer, a dead pool equipped with a coordinate system for installing and moving transducers, an analog key for switching receiving transducers, amplifier, bandpass filter, gated unit, oscilloscope, 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 гармонических колебаний, импульсный модулятор, синхронизатор, усилитель мощности, акустически связанные через среду распространения преобразователи - вспомогательный, обратимый и испытуемый, заглушенный бассейн, оборудованный координатной системой для установки и перемещения преобразователей, аналоговый ключ для коммутации приемных преобразователей, линейный усилитель, логарифмический усилитель, эталонное сопротивление R, четырехканальный временной селектор, алгебраический сумматор.A device for calibration based on the method of reciprocity of directional sound receivers is known (see Klyukin I.I., Kolesnikov A.E. Acoustic measurements in shipbuilding - L. Shipbuilding, 1966. S. 57-58), containing a generator of harmonic oscillations, a pulse modulator , synchronizer, power amplifier, transducers acoustically coupled through the propagation medium - auxiliary, reversible and tested, dead pool equipped with a coordinate system for installing and moving transducers, analog switch for switching receiving transducers, linear amplifier, logarithmic amplifier, reference resistance R, four-channel time selector, algebraic adder.

Устройство работает следующим образом. Излучающий тракт устройства, включающий в себя последовательно включенные генератор гармонических колебаний, импульсный модулятор, синхронизатор и усилитель мощности, вырабатывает электрический радиоимпульсный сигнал с заданной частотой ƒ.i (где 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 аналоговый ключ для коммутации 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 works as follows. The radiating path of the device, which includes a generator of harmonic oscillations, a pulse modulator, a synchronizer and a power amplifier connected in series, generates an electrical radio pulse signal with a given frequency ƒ .i (where i = 1, 2, ... is the number of measurements in the total operating frequency band of the reversible converter , auxiliary emitter and sound receiver under test), which simultaneously enters directly to the input of the auxiliary emitter and through an analog switch for switching to the input of a reversible transducer, which synchronously emit acoustic pulses into the propagation medium, for example, into water. The device uses a "linear" mutual arrangement of the used electroacoustic transducers, i.e. they are installed on the same straight line connecting them - the acoustic axis of the calibrated directional sound pressure receiver, in such a way that the greatest distance (from the auxiliary emitter to the tested receiver) is 3r, and the distances from the reversible transducer to the auxiliary emitter and to the receiver under test are equal to 2r and r respectively. The reversible transducer is omnidirectional and has small dimensions in comparison with the length of the used acoustic wave, and, in order to avoid diffraction phenomena, its displacement from the acoustic axis by a distance equal to its diameter is permissible. The above spatial arrangement of electro-acoustic transducers allows to spread along the time axis pulsed electrical signals generated both by a calibrated receiver: U1 (- from a reversible transducer), U3 (- from an auxiliary emitter), and a reversible transducer: U2 (- from an auxiliary emitter). The digital numbering of the pulse signals corresponds to their location on the time axis, on which the voltage drop U4 at a small reference resistance R, connected in series with the reversible converter, is also indicated with the greatest delay. Taking into account the fact that the distances from the auxiliary emitter to the reversible transducer and sound receiver are not equal to each other, the expression for the sensitivity takes the form

Figure 00000011
Figure 00000011

где Н - 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 equal to

Figure 00000012
Figure 00000012

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

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

Figure 00000013
Figure 00000013

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

при излучении и приеме плоских волнwhen emitting and receiving plane waves

Figure 00000014
Figure 00000014

где S - площадь излучателя (см. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении - Л.: Судостроение, 1966 Глава 1 Элементы акустических измерительных трактов. § 7 Градуировка электроакустических преобразователей на основе принципа взаимности, с. 51, с. 90).where S is the area of the emitter (see Klyukin I.I., Kolesnikov A.E. Acoustic measurements in shipbuilding - L .: Shipbuilding, 1966 Chapter 1 Elements of acoustic measuring paths. § 7 Graduation of electroacoustic transducers based on the principle of reciprocity, p. 51 , p. 90).

Импульсные электрические сигналы U1, U2, U3, U4 в приемном тракте устройства, состоящем из последовательно соединенных аналогового ключа для коммутации приемных преобразователей, линейного усилителя, логарифмического усилителя, четырехканального селектора и алгебраического сумматора, подвергаются счетно-решающей обработке, в результате которой выражены в децибелах:Pulsed electrical signals U1, U2, U3, U4 in the receiving path of the device, consisting of a series-connected analog key for switching receiving transducers, a linear amplifier, a logarithmic amplifier, a four-channel selector and an algebraic adder, are subjected to counting and decision processing, as a result of which they are expressed in decibels :

Figure 00000015
Figure 00000015

где в левой части равенства чувствительность градуируемого приемника звука выражена в децибелах относительно 1 в×м2/н, R - в децибелах относительно 1 Ом, Н - в децибелах относительно 1 м4 с/кг.where on the left side of the equality the sensitivity of the calibrated sound receiver is expressed in decibels relative to 1 V × 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 ультразвука на основе метода взаимности необходимы дополнительные преобразователи - обратимый и вспомогательный, что увеличивает длину «линейного» гидроакустического канала бассейна и усложняет устройство;1) to carry out the calibration of directional ultrasound receivers based on the reciprocity method, additional transducers are required - reversible and auxiliary, which increases the length of the "linear" hydroacoustic channel of the pool and complicates the device;

2) для проведения градуировки габаритные размеры заглушенного бассейна, оборудованного координатной системой для установки и перемещения преобразователей, должны превышать минимальное расстояние градуировки (длину «линейного» гидроакустического канала) в 15-20 раз, что создает трудности при градуировке крупногабаритных преобразователей;2) for calibration, the overall dimensions of the anechoic pool equipped with a coordinate system for installing and moving transducers must exceed the minimum calibration distance (the length of the “linear” hydroacoustic channel) by 15–20 times, which creates difficulties in calibrating large transducers;

3) минимальная длина «линейного» гидроакустического канала определяется общей протяженностью участков ближних зон дифракции используемых электроакустических преобразователей;3) the minimum length of the “linear” hydroacoustic channel is determined by the total length of the sections of the near diffraction zones of the used electroacoustic transducers;

4) рабочий диапазон частот устройства ограничен рабочими диапазонами электроакустических преобразователей, причем, для работоспособности устройства в широком диапазоне частот необходимо иметь несколько наборов электроакустических преобразователей.4) the operating frequency range of the device is limited by the operating ranges of electroacoustic transducers, and for the device to work in a wide frequency range, it is necessary to have several sets of electroacoustic transducers.

Вышеперечисленные недостатки ограничивают эксплуатационные возможности устройства, что снижает точность и частотный диапазон измерений.The above disadvantages limit the operational capabilities of the device, which reduces the accuracy and frequency range of measurements.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор гармонических колебаний, усилитель мощности, водная среда распространения акустического сигнала, градуируемый электроакустический преобразователь, заглушенный бассейн, оборудованный координатной системой для установки и перемещения преобразователей, аналоговый ключ для коммутации приемных преобразователей.Signs that coincide with the claimed object: a harmonic oscillation generator, a power amplifier, an aquatic environment for the propagation of an acoustic signal, a calibrated electro-acoustic transducer, an anechoic pool equipped with a coordinate system for installing and moving transducers, an analog key for switching receiving transducers.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство для проверки электроакустических преобразователей в диапазоне 0,001 - 100 кГц по методу замещения (см. Государственный специальный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений звукового давления в водной среде в диапазоне частот от 0,001 до 200 кГц. ГОСТ 8.124 -74. - М.: Изд-во стандартов, 1974. - 6 с.), содержащее излучающий тракт: генератор гармонических колебаний, импульсный модулятор, синхронизатор, усилитель мощности, частотомер, акустически связанные через водную среду распространения электроакустические преобразователи - излучающие и приемные: образцовый и испытуемый, заглушенный бассейн, оборудованный координатной системой для установки и перемещения преобразователей, имеющей механический привод от самописца; а также приемный тракт: аналоговый ключ для коммутации приемных преобразователей, усилитель, блок фильтров, стробирующий блок, осциллограф, самописец, блок управления.Closest to the claimed invention is a device for testing electro-acoustic transducers in the range of 0.001 - 100 kHz by the substitution method (see State special standard and all-Union verification scheme for sound pressure measuring instruments in the aquatic environment in the frequency range from 0.001 to 200 kHz. GOST 8.124 - 74. - M.: Publishing House of Standards, 1974. - 6 p.), containing a radiating path: a harmonic oscillation generator, a pulse modulator, a synchronizer, a power amplifier, a frequency meter, electro-acoustic transducers acoustically connected through an aqueous propagation medium - emitting and receiving: exemplary and test, plugged pool, equipped with a coordinate system for installing and moving transducers, which has a mechanical drive from the recorder; as well as the receiving path: an analog key for switching receiving converters, an amplifier, a filter unit, a strobe unit, an oscilloscope, a recorder, a control unit.

Устройство работает следующим образом. Излучающий тракт устройства, включающий в себя последовательно включенные генератор гармонических колебаний, импульсный модулятор, синхронизатор и усилитель мощности, вырабатывает электрический радиоимпульсный сигнал с заданной амплитудой U1 и частотой ƒ.j (где i = 1, 2, … - количество измерений), который через аналоговый ключ для коммутации излучателей, управляемый по команде с блока управления, поступает на вход необходимого излучающего электроакустического преобразователя: 1 Электродинамического НЧИ - поддиапазон частот (0,2 - 2,5) кГц с габаритными размерами (500 × 300) мм; 2) пьезоэлектрического ВЧИ - поддиапазон частот (2,5 - 25) кГц с габаритными размерами (200 × 150) мм; 3) пьезоэлектрического ВЧИ - поддиапазон частот (25 - 100) кГц с габаритными размерами (100 × 40) мм. Электроакустический преобразователь обеспечивает двойное преобразование энергии: электромеханическое, в результате которого часть подводимой к преобразователю электрической энергии переходит в энергию колебаний некоторой механической системы, и механоакустическое, при котором за счет колебаний механической системы в среде создается звуковое поле (см. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П. Голямина. - М.: «Сов. энциклопедия», 1979, 400 с. Электроакустический преобразователь, с. 380-383). В частности, основа конструкции электродинамического излучателя (НЧИ) - помещенная в постоянное магнитное поле катушка, по которой протекает переменный ток. Переменная сила, возникающая при этом, вызывает колебания с частотой тока подвижной системы электродинамического излучателя. В подвижную систему, помимо проводника с током, входит связанное с ним излучающее устройство в виде диафрагмы. Неравномерность частотных характеристик (до 20%) и величина нелинейных искажений (коэффициент гармоник до 10%), создаваемых электродинамическим излучателем, велики, что не может не отражаться на качестве измерений. Работоспособность пьезоэлектрических ВЧИ основана на пьезоэлектрическом эффекте, причем, если они используются в режиме излучения, то используются в узком диапазоне частот вблизи резонанса их механической системы. Таким образом, выбранный электроакустический преобразователь в необходимом диапазоне частот создает в водной среде звуковое поле, проявляющееся в возникновении областей сжатия и разряжения, которые распространяются со скоростью звука в направлении приемных пьезоэлектрических преобразователей: образцового и градуируемого. Образцовый и градуируемый пьезоэлектрические преобразователи обладают чувствительностями по звуковому давлению - известной

Figure 00000016
и неизвестной
Figure 00000017
соответственно, и являются приемниками звукового давления, расположены рядом и могут быть поочередно установлены (без «затенения») на акустической оси излучающего электроакустического преобразователя в его дальней зоне. Расстояние между излучателем и приемником должно превышать расстояние, необходимое для формирования их характеристик направленностиThe device works as follows. The radiating path of the device, which includes a generator of harmonic oscillations, a pulse modulator, a synchronizer and a power amplifier connected in series, generates an electric radio pulse signal with a given amplitude U1 and a frequency ƒ .j (where i = 1, 2, ... is the number of measurements), which through an analog switch for switching emitters, controlled by a command from the control unit, is fed to the input of the required radiating electroacoustic transducer: 1 Electrodynamic LFI - frequency subrange (0.2 - 2.5) kHz with overall dimensions (500 × 300) mm; 2) piezoelectric RFID - frequency subrange (2.5 - 25) kHz with overall dimensions (200 × 150) mm; 3) piezoelectric RFID - frequency subrange (25 - 100) kHz with overall dimensions (100 × 40) mm. An electroacoustic transducer provides a double energy conversion: an electromechanical one, as a result of which part of the electrical energy supplied to the transducer is converted into the energy of vibrations of a certain mechanical system, and a mechanoacoustic one, in which a sound field is created in the medium due to vibrations of a mechanical system (see Ultrasound. Little Encyclopedia. Chapters I.P. Golyamin, edited by M.: Sov. Encyclopedia, 1979, 400 pp. Electroacoustic transducer, pp. 380-383). In particular, the basis for the design of an electrodynamic emitter (EDI) is a coil placed in a constant magnetic field, through which an alternating current flows. The variable force that arises in this case causes oscillations with the frequency of the current of the moving system of the electrodynamic radiator. The mobile system, in addition to the conductor with current, includes a radiating device associated with it in the form of a diaphragm. The unevenness of the frequency characteristics (up to 20%) and the amount of nonlinear distortion (harmonic coefficient up to 10%) created by the electrodynamic emitter are large, which cannot but affect the quality of measurements. The performance of piezoelectric RFIDs is based on the piezoelectric effect, and, if they are used in radiation mode, they are used in a narrow frequency range near the resonance of their mechanical system. Thus, the selected electroacoustic transducer in the required frequency range creates a sound field in the aquatic environment, which manifests itself in the occurrence of compression and rarefaction areas that propagate at the speed of sound in the direction of the receiving piezoelectric transducers: exemplary and calibrated. Exemplary and calibrated piezoelectric transducers have sound pressure sensitivities - known
Figure 00000016
and unknown
Figure 00000017
respectively, and are sound pressure receivers, located side by side and can be alternately installed (without "shading") on the acoustic axis of the emitting electro-acoustic transducer in its far zone. The distance between the transmitter and the receiver must exceed the distance necessary for the formation of their directivity characteristics

Figure 00000018
Figure 00000018

где Dизл и Dпр - наибольшие размеры электроакустических преобразователей - излучающих и приемных соответственно, λi - длина звуковой волны, соответствующая циклической частоте i-того возбуждающего сигнала, i = 1, 2, …, - количество проводимых измерений, частоты находятся в полосе пропускания излучателя. В соответствии с методом замещения на акустической оси излучающего электроакустического преобразователя в объеме заглушенного бассейна (см. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении -Л. Судостроение, 1966 Глава 111 Измерение шумов. § 14 Измерительные бассейны. Их характеристики, звукопоглощающие покрытия для бассейнов, с. 120-130, Справочник по гидроакустике. - Л. «Судостроение», 1982, Глава 7, § 7.2 Измерительные объемы. Гидроакустические трубы и бассейны, с. 208-213), оборудованного координатной системой для установки и перемещения преобразователей, сначала располагают образцовый приемный преобразователь. При замещении образцового преобразователя градуируемым сохраняется единство места и полная идентичность используемой аппаратуры прототипа, однако, не сохраняется единство времени. Это требует поддержания неизменности режима излучения, т.е. стабильности работы как излучающего тракта, так и излучателя, так как недопустимо разделять два указанных измерения на значительный промежуток времени - могут измениться внешние условия, искажающие результаты измерений. Воздействие звукового поля на приемные: как образцовый, так и градуируемый - преобразователи в соответствии с прямым пьезоэффектом приведет к появлению переменного электрического сигнала на их выходах. Таким образом, образцовый и градуируемый электроакустический преобразователи поочередно преобразуют достигающие их ультразвуковые импульсы в электрические сигналы с амплитудами

Figure 00000019
и
Figure 00000020
, которые через аналоговый ключ для коммутации приемных преобразователей по команде с блока управления поступают на вход приемного тракта, в котором после усиления, фильтрации и стробирования фиксируются осциллографом и самописцем. Это позволит исследователю для необходимых спектральных составляющих (ƒi) частотного диапазона измерений рассчитать значения чувствительности по звуковому давлению в режиме приема для градуируемого электроакустического преобразователяwhere D izl and D pr - the largest dimensions of the electroacoustic transducers - emitting and receiving, respectively, λ i - the sound wave length corresponding to the cyclic frequency of the i-th excitation signal, i = 1, 2, ..., - the number of measurements taken, the frequencies are in the band emitter transmission. In accordance with the substitution method on the acoustic axis of a radiating electroacoustic transducer in the volume of a damped pool (see Klyukin I.I., Kolesnikov A.E. Acoustic measurements in shipbuilding - L. Shipbuilding, 1966 Chapter 111 Noise measurement. § 14 Measuring pools. Their characteristics, sound-absorbing coatings for pools, pp. 120-130, Handbook of hydroacoustics. - L. "Shipbuilding", 1982, Chapter 7, § 7.2 Measuring volumes. Hydroacoustic pipes and pools, pp. 208-213), equipped with a coordinate system for installation and movement of the transducers, first place the exemplary receiving transducer. When replacing the exemplary transducer with a calibrated transducer, the unity of place and the complete identity of the prototype equipment used are preserved, however, the unity of time is not preserved. This requires maintaining the invariance of the radiation regime, i.e. the stability of the operation of both the radiating path and the emitter, since it is unacceptable to separate the two indicated measurements for a significant period of time - external conditions may change, distorting the measurement results. The impact of the sound field on receiving: both exemplary and calibrated - transducers in accordance with the direct piezoelectric effect will lead to the appearance of an alternating electrical signal at their outputs. Thus, the exemplary and calibrated electroacoustic transducers alternately convert the ultrasonic pulses reaching them into electrical signals with amplitudes
Figure 00000019
and
Figure 00000020
, which, through an analog key for switching receiving converters, upon command from the control unit, enter the input of the receiving path, in which, after amplification, filtering and strobing, they are recorded by an oscilloscope and a recorder. This will allow the researcher for the required spectral components (ƒi) of the frequency range of measurements to calculate the sensitivity values for sound pressure in the receive mode for a calibrated electro-acoustic transducer

Figure 00000021
Figure 00000021

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

1) сформировавшаяся зона направленности образуется на расстоянии от излучателя сигнала установки

Figure 00000022
, где Dизл - максимальный размер источника. На более близком расстоянии от источника звуковое поле имеет сложный нерегулярный характер, что делает невозможным проведение достоверных акустических измерений в ВЧ диапазоне при используемом в прототипе объеме 1 м3 заглушенного бассейна с габаритными размерами (0,9×1,23×0,9) м. Например, для электродинамического НЧИ - поддиапазон частот (0,2 - 2,5) кГц с габаритными размерами (500 × 300) мм граница ближней зоны изменяется в диапазоне (0,07 - 0,83) м; для первого пьезокерамического ВЧИ - поддиапазон частот (2,5 - 25) кГц с габаритными размерами (200 × 150) мм - (0,07 - 0,7) м; для второго пьезокерамического ВЧИ - поддиапазон частот (25 - 100) кГц с габаритными размерами (100 × 40) мм - (0,33 - 1,33) м соответственно. Из указанного следует, что «измерительная» часть заглушенного бассейна имеет невысокую достоверность, что снижает и ограничивает как точность, так и частотный диапазон измерений;1) the formed directivity zone is formed at a distance from the installation signal emitter
Figure 00000022
, where D izl is the maximum size of the source. At a closer distance from the source, the sound field has a complex irregular character, which makes it impossible to carry out reliable acoustic measurements in the HF range when used in the prototype volume of 1 m For example, for electrodynamic LFI - frequency subrange (0.2 - 2.5) kHz with overall dimensions (500 × 300) mm, the boundary of the near zone varies in the range (0.07 - 0.83) m; for the first piezoceramic HFI - frequency subrange (2.5 - 25) kHz with overall dimensions (200 × 150) mm - (0.07 - 0.7) m; for the second piezoceramic HFI - frequency subrange (25 - 100) kHz with overall dimensions (100 × 40) mm - (0.33 - 1.33) m, respectively. It follows from the above that the "measuring" part of the anechoic pool has a low reliability, which reduces and limits both the accuracy and the frequency range of measurements;

2) в предположении сферичности используемых в прототипе излучателей оценим величины дифракционных постоянных: 1) для электродинамического НЧИ - поддиапазон частот (0,2 - 2,5) кГц с габаритным размером 500 мм значение данного параметра изменяется в диапазоне (0,36 - 0,98); для первого пьезокерамического ВЧИ - поддиапазон частот (2,5 - 25) кГц с габаритным размером 200 мм - (0,7 - 0,1); для второго пьезокерамического ВЧИ - поддиапазон частот (25 - 100) кГц с габаритным размером 100 мм - (0,2 - 0,048) соответственно. Отсюда следует, что акустическая часть излучающего тракта прототипа имеет значительную величину изменения дифракционной постоянной, т.е. минимальные искажения звукового поля в большей степени соответствуют эксплуатации только электродинамического НЧИ, что снижает и ограничивает как точность, так и частотный диапазон измерений;2) assuming the sphericity of the emitters used in the prototype, we estimate the values of the diffraction constants: 98); for the first piezoceramic HFI - frequency subrange (2.5 - 25) kHz with an overall size of 200 mm - (0.7 - 0.1); for the second piezoceramic HFI - frequency subrange (25 - 100) kHz with an overall size of 100 mm - (0.2 - 0.048), respectively. It follows that the acoustic part of the radiating path of the prototype has a significant change in the diffraction constant, i.e. minimal distortion of the sound field is more consistent with the operation of only the electrodynamic LFO, which reduces and limits both the accuracy and the frequency range of measurements;

3) в диапазоне (0.2-25) кГц функционирование прототипа в требуемой полосе частот обусловлено применением двух штатных электроакустических преобразователей: 1 Электродинамического НЧИ - поддиапазон частот (0,2 - 2,5) кГц с габаритными размерами (500 × 300) мм; 2) пьезокерамического ВЧИ - поддиапазон частот (2,5 - 25) кГц с габаритными размерами (200 × 150) мм (фиг. 2). Как следует из фиг. 2, участки частотной характеристики как НЧИ, так и ВЧИ в поддиапазонах частот (0,2 - 2,5) кГц и (2,5 - 25) кГц имеют существенную изрезанность и немонотонность приращения (динамический диапазон до 48 дБ, т.е. ~ 250 раз): для НЧИ - до 18 дБ (~ 8 раз) и для ВЧИ - до 30 дБ (~ 31 раз). Осуществление измерений в прототипе с такими источниками затруднительно, что ограничивает эксплуатационные возможности устройства, снижая точность измерений.3) in the range (0.2-25) kHz, the functioning of the prototype in the required frequency band is due to the use of two standard electro-acoustic transducers: 2) piezoceramic HFI - frequency subrange (2.5 - 25) kHz with overall dimensions (200 × 150) mm (Fig. 2). As follows from FIG. 2, the sections of the frequency response of both LFI and RFI in the frequency subranges (0.2 - 2.5) kHz and (2.5 - 25) kHz have a significant indentation and non-monotonicity of the increment (dynamic range up to 48 dB, i.e. ~ 250 times): for LF - up to 18 dB (~ 8 times) and for HFI - up to 30 dB (~ 31 times). The implementation of measurements in the prototype with such sources is difficult, which limits the operational capabilities of the device, reducing the accuracy of measurements.

4) в прототипе не для всех излучателей выполняется требование «минимальности как числа, так и уровней добавочных лепестков в характеристике направленности». Как следует из фиг. 5, полностью данному критерию прототип соответствует с первым ВЧИ только на частоте 5 кГц.4) in the prototype, not for all emitters, the requirement of "the minimum number and levels of additional lobes in the directivity characteristic" is met. As follows from FIG. 5, the prototype fully complies with this criterion with the first RFID only at a frequency of 5 kHz.

Осуществление измерений в прототипе с такими источниками затруднительно, что ограничивает эксплуатационные возможности устройства, снижая точность измерений.The implementation of measurements in the prototype with such sources is difficult, which limits the operational capabilities of the device, reducing the accuracy of measurements.

Вышеперечисленные недостатки ограничивают эксплуатационные возможности устройства, что сказывается как на точности, так и частотном диапазоне измерений.The above disadvantages limit the operational capabilities of the device, which affects both the accuracy and the frequency range of measurements.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор гармонических колебаний, импульсный модулятор, синхронизатор, усилитель мощности, частотомер, акустически связанные через водную среду распространения электроакустические преобразователи - излучающие и приемные: образцовый и градуируемый, заглушенный бассейн, оборудованный координатной системой для установки и перемещения преобразователей, имеющей механический привод от самописца, аналоговый ключ для коммутации приемных преобразователей, усилитель, блок фильтров, стробирующий блок, осциллограф, самописец, блок управления.Signs that coincide with the claimed object: a harmonic oscillation generator, a pulse modulator, a synchronizer, a power amplifier, a frequency meter, electro-acoustic transducers acoustically connected through the aquatic propagation medium - emitting and receiving: exemplary and calibrated, muffled pool equipped with a coordinate system for installing and moving transducers, having a mechanical drive from the recorder, an analog key for switching receiving transducers, an amplifier, a filter unit, a strobe unit, an oscilloscope, a recorder, a control unit.

Задачей изобретения является создание устройства для градуировки электроакустических преобразователей с расширенными эксплуатационными возможностями и с высокой точностью.The objective of the invention is to create a device for calibrating electro-acoustic transducers with extended operational capabilities and high accuracy.

Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерений и расширении частотного диапазона измерений за счет применения акустического тракта со стабильными во времени параметрами в широкой полосе частот.The technical result of the invention is to improve the accuracy of measurements and expand the frequency range of measurements through the use of an acoustic path with time-stable parameters in a wide frequency band.

Технический результат достигается тем, что в известное устройство для градуировки электроакустических преобразователей, состоящее из излучающего тракта, включающего в себя генератор гармонических колебаний, импульсный модулятор, синхронизатор, усилитель мощности, частотомер, излучающий электроакустический преобразователь и приемный тракт, включающий образцовый и градуируемый электроакустические преобразователи, аналоговый ключ для коммутации приемных электроакустических преобразователей, усилитель, блок фильтров, стробирующий блок, блок управления излучающим и приемным трактами и заглушенный бассейн для размещения приемных электроакустических преобразователей и координатной системы для установки и перемещения преобразователей, в излучающий тракт дополнительно введены второй генератор гармонических колебаний, сумматор, амплитудный детектор, фильтр низкой частоты, согласующий усилитель и режекторный фильтр, причем выходы обоих генераторов гармонических колебаний соединены с двумя сигнальными входами сумматора, первый выход которого через импульсный модулятор, согласующий усилитель, усилитель мощности и режекторный фильтр соединен со входом излучающего электроакустического преобразователя, второй выход сумматора через амплитудный детектор и фильтр низкой частоты соединен с сигнальным входом частотомера, а выходы блока управления соединены с управляющими входами обоих генераторов гармонических колебаний, синхронизатора, частотомера, аналогового ключа для поочередной коммутации выходов приемных преобразователей.The technical result is achieved by the fact that in a known device for calibrating electro-acoustic transducers, consisting of a radiating path, including a harmonic oscillation generator, a pulse modulator, a synchronizer, a power amplifier, a frequency meter, a radiating electro-acoustic transducer and a receiving path, including exemplary and calibrated electro-acoustic transducers, an analog switch for switching receiving electro-acoustic transducers, an amplifier, a filter unit, a strobe unit, a control unit for emitting and receiving paths, and a plugged pool for placing receiving electro-acoustic transducers and a coordinate system for installing and moving transducers, a second generator of harmonic oscillations, an adder are additionally introduced into the emitting path , an amplitude detector, a low-pass filter, a matching amplifier and a notch filter, with the outputs of both harmonic generators connected to two signals inputs of the adder, the first output of which is connected through a pulse modulator, a matching amplifier, a power amplifier and a notch filter to the input of a radiating electro-acoustic transducer, the second output of the adder is connected through an amplitude detector and a low-frequency filter to the signal input of the frequency meter, and the outputs of the control unit are connected to the control inputs both generators of harmonic oscillations, a synchronizer, a frequency meter, an analog key for alternately switching the outputs of the receiving transducers.

Излучающий электроакустический преобразователь выполнен с резонансной частотой ƒ0, и в его полосе пропускания находятся частоты ƒ1, ƒ2 гармонических колебаний генераторов, связанные соотношением (ƒ12)/2=ƒ0.The radiating electro-acoustic transducer is made with a resonant frequency ƒ 0 , and in its passband are the frequencies ƒ 1 , ƒ 2 harmonic oscillations of generators related by the ratio (ƒ 12 )/2=ƒ 0 .

Устройство предпочтительно содержит самописец и осциллограф, подключенные к блоку управления.The device preferably comprises a recorder and an oscilloscope connected to a control unit.

Указанная совокупность признаков неизвестна из уровня техники, следовательно заявляемое устройство удовлетворяет условию патентоспособности «новизна». Совокупность существенных признаков устройства градуировки электроакустических преобразователей позволяет расширить эксплуатационные возможности устройства за счет применения режима параметрического излучения, в частности, предлагаемое устройство соответствует комплексу требований, используемому как при аттестации гидрофонов, так и при измерении ХН гидроакустических преобразователей в свободном поле. Режим параметрического излучения с точки зрения количественных измерений обеспечивает:The specified set of features is unknown from the prior art, therefore, the claimed device satisfies the condition of patentability "novelty". The set of essential features of the device for calibrating electroacoustic transducers makes it possible to expand the operational capabilities of the device through the use of the parametric radiation mode, in particular, the proposed device meets the set of requirements used both in the certification of hydrophones and in measuring the characteristic curve of hydroacoustic transducers in a free field. The parametric radiation mode in terms of quantitative measurements provides:

- повышение направленности, что существенно снижает влияние помех и повышает точность;- increased directivity, which significantly reduces the effect of interference and improves accuracy;

- отсутствие боковых лепестков уменьшает воздействие на эксперименты деталей креплений, отражающих элементов;- the absence of side lobes reduces the impact on the experiments of fasteners, reflective elements;

- независимость характеристик направленности от частоты позволяет автоматизировать измерения;- independence of directivity characteristics from frequency allows to automate measurements;

- малые поперечные размеры и массу излучающих электроакустических преобразователей.- small transverse dimensions and mass of radiating electroacoustic transducers.

На фиг. 1 показана структурная схема заявляемого устройства;In FIG. 1 shows a block diagram of the proposed device;

на фиг. 2 и фиг. 3 - представлены экспериментальные графики для диапазона (0.2-25) кГц, отображающие зависимости частотных характеристик чувствительностей в режиме излучения для прототипа и заявляемого устройства соответственно;in fig. 2 and FIG. 3 - experimental graphs for the range (0.2-25) kHz are presented, showing the dependences of the frequency characteristics of the sensitivities in the radiation mode for the prototype and the claimed device, respectively;

на фиг. 4 и фиг. 5 в прямоугольной системе координат изображены экспериментальные графики угловой зависимости звукового давления, развиваемого в режиме излучения для прототипа (ВЧИ, три кривые: 1 - 5 кГц, 2 - 20 кГц, 3 - 25 кГц) и заявляемого устройства (четыре кривые: 1 - 5 кГц, 2 - 20 кГц, 3 - 25 кГц, 4 - 100 кГц) соответственно.in fig. 4 and FIG. 5 in a rectangular coordinate system shows the experimental graphs of the angular dependence of the sound pressure developed in the radiation mode for the prototype (RF, three curves: 1 - 5 kHz, 2 - 20 kHz, 3 - 25 kHz) and the proposed device (four curves: 1 - 5 kHz, 2 - 20 kHz, 3 - 25 kHz, 4 - 100 kHz) respectively.

Устройство для градуировки электроакустических преобразователей (фиг. 1) содержит излучающий тракт: два генератора 1, 2 гармонических колебаний с частотами ƒ1, ƒ2, которые соединены через последовательно включенные сумматор 3, импульсный модулятор 4, согласующий усилитель 6, усилитель мощности 7, режекторный фильтр 8 с излучающим электроакустическим преобразователем 9, функционирование как импульсного модулятора 4 через синхронизатор 5, так и генераторов 1, 2 гармонических колебаний осуществляется посредством связей с блоком управления 24, дополнительный выход сумматора 3 соединен через последовательно включенные амплитудный детектор 21, фильтр нижней частоты 22 с сигнальным входом частотомера 23, управляющий вход которого также связан с блоком управления 24. Излучающий электроакустический преобразователь 9 с резонансной частотой ƒ0, в полосе пропускания которого находятся частоты ƒ1, ƒ2 гармонических колебаний как первого, так и второго генераторов, связаны соотношением (ƒ12)/2=ƒ0, функционируя в режиме параметрического излучения (РПИ), акустически связан через водную среду 10 распространения с электроакустическими приемными преобразователи: образцовым 12 и испытуемым 13. Преобразователи 9, 12, 13 размещены в заглушенном бассейне 11, оборудованный координатной системой 20 для их установки и перемещения, причем последняя имеет механический привод от самописца 19. Приемный тракт устройства содержит последовательно включенные аналоговый ключ 14 для поочередной коммутации выходов приемных преобразователей 12, 13 через усилитель 15, блок фильтров 16, стробирующий блок 17, выход которого соединен со входами как осциллографа 18, так и самописца 19, причем, выход последнего механически связан с координатной системой 20. Функционирование как аналогового ключа 14, так и регистрирующей аппаратуры - осциллографа 18 и самописца 19 осуществляется посредством связей с блоком управления 24. Управляющие входы стробирующего блока 17, осциллографа 18 и самописца 19 соединены с соответствующими выходами синхронизатора 5. Работа устройства для градуировки электроакустических преобразователей (фиг. 1) происходит следующим образом. Генераторы 1 и 2 вырабатывают гармонические сигналы с частотами ƒ1, ƒ2, поступающие на два входа сумматора 3, который приводится в рабочее состояние оператором по команде с блока управления 24. С первого выхода сумматора 3 полученный бигармонический электрический сигнал поступает через амплитудный детектора 21, фильтр низкой частоты 22 на вход частотомера 23 (контроль значения частоты разностного сигнала), а со второго выхода - на вход импульсного модулятора 4, который управляется оператором по команде с блока управления 24 через синхронизатор 5. В результате на выходе импульсного модулятора 4 получаем радиоимпульс с бигармоническим заполнением, который через согласующий усилитель 6, усилитель мощности 7, режекторный фильтр 8 поступает на электроакустический преобразователь 9. Работоспособность электроакустического преобразователя 9 основана на пьезоэлектрическом эффекте, причем, он используется в полосе пропускания, т.е. в диапазоне частот вблизи резонанса его механической системы с частотой (ƒ12)/2=ƒ00/2π. Электроакустический преобразователь 9 в необходимом диапазоне частот ƒ1, ƒ2 создает в водной среде 10 бигармоническое звуковое поле, проявляющееся в возникновении областей сжатия и разряжения, которые распространяются со скоростью звука в направлении приемных пьезоэлектрических преобразователей: образцового 12 и градуируемого 13. Так как водная среда 10 обладает нелинейностью своих упругих характеристик осуществляется нелинейное взаимодействие мощных волн с частотами ƒ12/2π, ƒ22/2π в канале распространения, результатом которых является генерация акустических сигналов разностной F=ƒ21 частоты, т.е. электроакустический преобразователь 9 функционирует в режиме параметрического излучения. Нелинейное взаимодействие мощных волн при их распространении в воде 10 позволяет разделить в пространстве процессы преобразования электрической энергии в акустическую (электроакустический преобразователь 9) и формирования направленного излучения (объем воды 10, в котором взаимодействуют спектральные компоненты мощной бигармонической волны и распределены нелинейные источники сигнала разностной частоты). Амплитуда звукового давления сигнала разностной частоты на акустической оси электроакустического преобразователя 9 плавно возрастает по мере удаления от него, достигая максимума на расстоянии, соизмеримом с его границей ближней зоны

Figure 00000023
q, где а - размер апертуры электроакустического преобразователя 9, ω0=2π׃0 - циклическая частота, с0 - равновесное значение скорости распространения звука в воде.The device for calibrating electro-acoustic transducers (Fig. 1) contains a radiating path: two generators 1, 2 harmonic oscillations with frequencies ƒ 1 , ƒ 2 , which are connected through a series-connected adder 3, a pulse modulator 4, a matching amplifier 6, a power amplifier 7, a notch filter 8 with a radiating electro-acoustic transducer 9, the operation of both a pulse modulator 4 through a synchronizer 5, and generators 1, 2 of harmonic oscillations is carried out through connections with a control unit 24, an additional output of the adder 3 is connected through a series-connected amplitude detector 21, a low-frequency filter 22 with signal input of the frequency counter 23, the control input of which is also connected to the control unit 24. The radiating electro-acoustic transducer 9 with a resonant frequency ƒ 0 , in the passband of which there are frequencies ƒ 1 , ƒ 2 of harmonic oscillations of both the first and second generators, are related by the relation (ƒ one2 )/2=ƒ 0 , operating in the mode of parametric radiation (RPI), acoustically connected through the aquatic environment 10 propagation with electro-acoustic receiving transducers: exemplary 12 and test 13. The transducers 9, 12, 13 are located in the anechoic pool 11, equipped coordinate system 20 for their installation and movement, and the latter has a mechanical drive from the recorder 19. The receiving path of the device contains an analog key 14 connected in series for switching the outputs of the receiving transducers 12, 13 in turn through an amplifier 15, a filter unit 16, a strobe unit 17, the output of which connected to the inputs of both the oscilloscope 18 and the recorder 19, and the output of the latter is mechanically connected to the coordinate system 20. The operation of both the analog key 14 and the recording equipment - the oscilloscope 18 and the recorder 19 is carried out through connections with the control unit 24. The control inputs of the strobe block 17, oscilloscope 18 and recorder 19 with connected to the corresponding outputs of the synchronizer 5. The operation of the device for calibrating electroacoustic transducers (Fig. 1) occurs as follows. Generators 1 and 2 generate harmonic signals with frequencies ƒ 1 , ƒ 2 entering the two inputs of the adder 3, which is brought into operation by the operator on command from the control unit 24. From the first output of the adder 3, the received biharmonic electrical signal is fed through the amplitude detector 21, low-pass filter 22 to the input of the frequency meter 23 (control of the frequency value of the difference signal), and from the second output to the input of the pulse modulator 4, which is controlled by the operator on command from the control unit 24 through the synchronizer 5. As a result, at the output of the pulse modulator 4 we get a radio pulse with biharmonic filling, which through a matching amplifier 6, a power amplifier 7, a notch filter 8 enters the electroacoustic transducer 9. The performance of the electroacoustic transducer 9 is based on the piezoelectric effect, moreover, it is used in the passband, i. in the frequency range near the resonance of its mechanical system with a frequency (ƒ 12 )/2=ƒ 00 /2π. The electroacoustic transducer 9 in the required frequency range ƒ 1 , ƒ 2 creates a biharmonic sound field in the aquatic environment 10, which manifests itself in the occurrence of compression and rarefaction areas that propagate at the speed of sound in the direction of the receiving piezoelectric transducers: exemplary 12 and graduated 13. Since the aquatic environment 10 has a nonlinearity of its elastic characteristics, a nonlinear interaction of powerful waves with frequencies ƒ 1 \u003d ω 2 /2π, ƒ 2 \u003d ω 2 /2π in the propagation channel is carried out, the result of which is the generation of acoustic signals of the difference F \u003d ƒ 21 frequency, i.e. e. electroacoustic transducer 9 operates in the mode of parametric radiation. The nonlinear interaction of powerful waves during their propagation in water 10 makes it possible to separate in space the processes of converting electrical energy into acoustic energy (electroacoustic converter 9) and the formation of directional radiation (the volume of water 10, in which the spectral components of a powerful biharmonic wave interact and nonlinear sources of a difference frequency signal are distributed) . The amplitude of the sound pressure of the difference frequency signal on the acoustic axis of the electroacoustic transducer 9 gradually increases with distance from it, reaching a maximum at a distance commensurate with its boundary of the near zone
Figure 00000023
q, where a is the size of the aperture of the electroacoustic transducer 9, ω 0 =2π׃ 0 is the cyclic frequency, c 0 is the equilibrium value of the speed of sound propagation in water.

Расстояние от электроакустического преобразователя 9 до максимума называют областью насыщения: в ней происходит наиболее интенсивная перекачка энергии бигармонической волны в сигнал разностной частоты, за областью насыщения поглощение и дифракция ослабляют процесс нелинейного взаимодействия спектральных компонент бигармонической волны и амплитуда звукового давления сигнала разностной частоты начинает также плавно спадать. Угловая расходимость формирующегося сигнала разностной частоты практически совпадает с таковой для бигармонической волны (по основному лепестку ХН излучающего электроакустического преобразователя 9), причем, уровень бокового излучения пренебрежимо мал за счет того, что для внеосевых направлений нелинейное изменение упругих свойств воды 10 не происходит. В результате этого при небольшой апертуре электроакустического преобразователя 9 удается получить излучение низкочастотных сигналов в пределах небольших телесных углов при полном отсутствии бокового поля. Полигармонический ультразвуковой сигнал, содержащий спектральные составляющие с частотами ƒ1, ƒ2, F=ƒ21 распространяется в воде 10, заполняющей заглушенный бассейн 11, снабженный координатной системой 20 для крепления и перемещения приемных пьезоэлектрических преобразователей: образцового 12 и градуируемого 13. Приемные пьезоэлектрические преобразователи обладают чувствительностями по звуковому давлению - известной

Figure 00000024
и неизвестной
Figure 00000025
соответственно, и являются приемниками звукового давления, расположены рядом и могут быть поочередно установлены (без «затенения») на акустической оси излучающего электроакустического преобразователя 9. В соответствии с методом замещения на акустической оси излучающего электроакустического преобразователя 9 в объеме заглушенного бассейна 11, оборудованного координатной системой 20 для установки и перемещения преобразователей, сначала располагают образцовый приемный преобразователь 12. При замещении образцового преобразователя градуируемым 13 сохраняется единство места и полная идентичность используемой аппаратуры. Воздействие звукового поля на приемные: как образцовый 12, так и градуируемый 13 - преобразователи в соответствии с прямым пьезоэффектом приведет к появлению переменного электрического сигнала на их выходах. Таким образом, образцовый 12 и градуируемый 13 электроакустические преобразователи поочередно преобразуют достигающие их ультразвуковые импульсы в электрические сигналы с амплитудами
Figure 00000026
и
Figure 00000027
, которые через аналоговый ключ 14 для коммутации приемных преобразователей по команде с блока управления 24 поступают на вход приемного тракта, в котором после усиления (усилитель 15), фильтрации (блок фильтров 16) и стробирования (стробируемый блок 17) фиксируются осциллографом 18 и самописцем 19. Управляющие входы стробируемого блока 17, осциллографа 18 и самописца 19 соединены с дополнительным выходом синхронизатора 5, причем, предусмотрен механический привод от самописца 19 к координатной системе 20 бассейна 11. Данное устройство позволит исследователю для необходимых спектральных составляющих (ƒi) частотного диапазона измерений рассчитать значения чувствительности по звуковому давлению в режиме приема для градуируемого электроакустического преобразователя 13The distance from the electroacoustic transducer 9 to the maximum is called the saturation region: in it, the most intense transfer of the energy of the biharmonic wave to the difference frequency signal occurs, beyond the saturation region, absorption and diffraction weaken the process of nonlinear interaction of the spectral components of the biharmonic wave, and the amplitude of the sound pressure of the difference frequency signal also begins to gradually decrease . The angular divergence of the formed signal of the difference frequency practically coincides with that for the biharmonic wave (along the main lobe XH of the radiating electroacoustic transducer 9), and the level of lateral radiation is negligibly small due to the fact that for off-axis directions there is no nonlinear change in the elastic properties of water 10. As a result, with a small aperture of the electroacoustic transducer 9, it is possible to obtain the emission of low-frequency signals within small solid angles in the complete absence of a side field. A polyharmonic ultrasonic signal containing spectral components with frequencies ƒ 1 , ƒ 2 , F=ƒ 21 propagates in water 10, which fills a plugged pool 11, equipped with a coordinate system 20 for mounting and moving receiving piezoelectric transducers: exemplary 12 and graduated 13. Receiving piezoelectric transducers have sound pressure sensitivities - known
Figure 00000024
and unknown
Figure 00000025
respectively, and are sound pressure receivers, located side by side and can be alternately installed (without "shading") on the acoustic axis of the emitting electroacoustic transducer 9. 20 to install and move the transducers, first place the exemplary receiving transducer 12. When replacing the exemplary transducer calibrated 13, the unity of the place and the complete identity of the equipment used are preserved. The effect of the sound field on receiving: both exemplary 12 and graduated 13 - transducers in accordance with the direct piezoelectric effect will lead to the appearance of an alternating electrical signal at their outputs. Thus, the exemplary 12 and calibrated 13 electroacoustic transducers alternately convert the ultrasonic pulses reaching them into electrical signals with amplitudes
Figure 00000026
and
Figure 00000027
, which through the analog key 14 for switching the receiving transducers, upon command from the control unit 24, are fed to the input of the receiving path, in which, after amplification (amplifier 15), filtering (filter block 16) and gating (gated block 17), they are recorded by oscilloscope 18 and recorder 19 The control inputs of the gated block 17, the oscilloscope 18 and the recorder 19 are connected to the additional output of the synchronizer 5, and a mechanical drive from the recorder 19 to the coordinate system 20 of the pool 11 is provided. sensitivity to sound pressure in the receiving mode for a calibrated electro-acoustic transducer 13

Figure 00000028
Figure 00000028

Сопоставление соответствия критерию «монотонности изменения» экспериментальных графиков для диапазона (0.2-25) кГц, отображающих зависимости частотных характеристик чувствительностей в режиме излучения для прототипа (фиг. 2) и заявляемого устройства (фиг. 3) показывает следующее. Для обоих графиков на вертикальной оси относительные уровни формирующегося звукового давления Р/P0 отложены в децибелах (P0=1 Па), на горизонтальной оси для значений частот используется логарифмический масштаб. В данном диапазоне функционирование устройства по прототипу в требуемой полосе частот обусловлено применением двух штатных электроакустических преобразователей: 1 Электродинамического НЧИ - поддиапазон частот (0,2 - 2,5) кГц с габаритными размерами (500 × 300) мм; 2) пьезокерамического ВЧИ - поддиапазон частот (2,5 - 25) кГц с габаритными размерами (200 × 150) мм (на рис. 3 границы поддиапазонов отмечены вертикальными штриховыми линиями). Отметим, что в прототипе для осуществления проверки предусмотрен еще и третий штатный электроакустический преобразователь - пьезокерамический ВЧИ для поддиапазона частот (25 - 100) кГц с габаритными размерами (100 × 40) мм.Comparison of compliance with the criterion of "monotonicity of change" of the experimental graphs for the range (0.2-25) kHz, showing the dependence of the frequency characteristics of the sensitivities in the radiation mode for the prototype (Fig. 2) and the proposed device (Fig. 3) shows the following. For both graphs, on the vertical axis, the relative levels of the emerging sound pressure P/P 0 are plotted in decibels (P 0 =1 Pa), on the horizontal axis, a logarithmic scale is used for frequency values. In this range, the functioning of the prototype device in the required frequency band is due to the use of two standard electroacoustic transducers: 1 Electrodynamic LFI - frequency subrange (0.2 - 2.5) kHz with overall dimensions (500 × 300) mm; 2) piezoceramic HFI - frequency subrange (2.5 - 25) kHz with overall dimensions (200 × 150) mm (in Fig. 3, the boundaries of the subranges are marked with vertical dashed lines). It should be noted that the prototype also provides for the verification of the third standard electro-acoustic transducer - a piezoceramic RFID for the frequency subrange (25 - 100) kHz with overall dimensions (100 × 40) mm.

Как следует из фиг. 2, участки частотной характеристики как НЧИ, так и ВЧИ в поддиапазонах частот (0,2 - 2,5) кГц и (2,5 - 25) кГц имеют существенную изрезанность и немонотонность приращения (динамический диапазон до 48 дБ, т.е. ~ 250 раз): для НЧИ - до 18 дБ (~ 8 раз) и для ВЧИ -до 30 дБ (~ 31 раз). Осуществление измерений в техническом решении прототипа с такими источниками затруднительно, что не может не отражаться на качестве градуировки. Для заявляемого устройства данный критерий удовлетворительно выполнен. Из фиг. 4 видно, что частотная характеристика монотонно возрастает (динамический диапазон до 30 дБ, т.е. ~ 31 раз), не имея резких флуктуаций, что является существенным преимуществом в сравнении с прототипом, приводя к повышению точности измерений.As follows from FIG. 2, the sections of the frequency response of both LFI and RFI in the frequency subranges (0.2 - 2.5) kHz and (2.5 - 25) kHz have a significant indentation and non-monotonicity of the increment (dynamic range up to 48 dB, i.e. ~ 250 times): for LF - up to 18 dB (~ 8 times) and for HFI - up to 30 dB (~ 31 times). The implementation of measurements in the technical solution of the prototype with such sources is difficult, which cannot but affect the quality of the calibration. For the proposed device, this criterion is satisfactorily met. From FIG. 4 it can be seen that the frequency response increases monotonically (dynamic range up to 30 dB, i.e. ~ 31 times), without sharp fluctuations, which is a significant advantage in comparison with the prototype, leading to an increase in measurement accuracy.

Сопоставим на соответствие критерию «минимальности как числа, так и уровней добавочных лепестков в характеристике направленности», экспериментальные графики угловой зависимости звукового давления (в прямоугольной системе координат), развиваемого в режиме излучения для прототипа (фиг. 4, ВЧИ, три кривые: 1 - 5 кГц, 2 - 20 кГц, 3 - 25 кГц) и предлагаемого устройства (фиг. 5, четыре кривые: 1 - 5 кГц, 2 - 20 кГц, 3 - 25 кГц, 4 - 100 кГц). Для графиков на вертикальной оси относительные уровни регистрируемых гидрофоном напряжений U/U0 отложены в децибелах, на горизонтальной оси нанесены значения угла отклонения акустической оси излучателя от направления на гидрофон. Как следует из фиг. 4, с ростом частоты излучения ВЧИ постепенно выходит за пределы соответствия данному критерию: кривая 1 - на частоте 5 кГц в диапазоне (-150° ÷ +150°) излучение в пределах основного лепестка (динамический диапазон ~ 23 дБ, угловая ширина по уровню (-3 дБ) около 60°), добавочные лепестки отсутствуют, кривая 2 - на частоте 20 кГц в диапазоне (-45° ÷ +30°) излучение в пределах несимметричного основного лепестка (динамический диапазон ~ 23 дБ, угловая ширина по уровню (-3 дБ) около 20°), добавочные лепестки появились, причем, ультразвуковое боковое поле слева и справа от акустической оси также несимметрично, кривая 3 - на частоте 25 кГц в диапазоне (-45° ÷ +50°) излучение в пределах несимметричного основного лепестка (динамический диапазон ~ 45 дБ, угловая ширина по уровню (-3 дБ) около 16°), добавочные лепестки существенны (до 30 дБ), ультразвуковое боковое поле слева и справа от акустической оси существенно несимметрично. Таким образом, полностью данному критерию прототип соответствует с ВЧИ на частоте 5 кГц. Как следует из фиг. 5, рост частоты излучения в предлагаемом устройстве не приводит к выходу за пределы соответствия данному критерию: кривые 1, 2, 3, 4 - на частотах 5 кГц. 20 кГц, 25 кГц, 100 кГц в диапазоне (-60° ÷ +60°) излучение в пределах одного и того же по величине основного лепестка (динамический диапазон ~ 30 дБ, угловая ширина по уровню (-3 дБ) также практически одинакова и составляет около 16°), добавочные лепестки отсутствуют на частотах 20 кГц, 25 кГц, 100 кГц (кривые 2, 3, 4), несущественные симметричные добавочные лепестки с уровнем (- 20 дБ) наблюдаются в направлениях 75° слева и справа относительно акустической оси. Таким образом, для заявляемого устройства данный критерий также удовлетворительно выполнен.Let us compare the experimental graphs of the angular dependence of the sound pressure (in a rectangular coordinate system) developed in the radiation mode for the prototype (Fig. 4, RFID, three curves: 1 - 5 kHz, 2 - 20 kHz, 3 - 25 kHz) and the proposed device (Fig. 5, four curves: 1 - 5 kHz, 2 - 20 kHz, 3 - 25 kHz, 4 - 100 kHz). For graphs on the vertical axis, the relative levels of voltages U/U 0 recorded by the hydrophone are plotted in decibels, and the values of the angle of deviation of the acoustic axis of the emitter from the direction to the hydrophone are plotted on the horizontal axis. As follows from FIG. 4, with an increase in the radiation frequency, the RF frequency gradually goes beyond the limits of compliance with this criterion: curve 1 - at a frequency of 5 kHz in the range (-150° ÷ +150°) radiation within the main lobe (dynamic range ~ 23 dB, angular width by level ( -3 dB) about 60°), there are no additional lobes, curve 2 - at a frequency of 20 kHz in the range (-45° ÷ +30°) radiation within the asymmetric main lobe (dynamic range ~ 23 dB, angular width by level (- 3 dB) about 20°), additional lobes appeared, moreover, the ultrasonic side field to the left and right of the acoustic axis is also asymmetrical, curve 3 - at a frequency of 25 kHz in the range (-45° ÷ +50°) radiation within the asymmetric main lobe (dynamic range ~ 45 dB, angular width (-3 dB) about 16°), additional lobes are significant (up to 30 dB), the ultrasonic side field to the left and right of the acoustic axis is significantly asymmetrical. Thus, the prototype fully complies with this criterion with RFID at a frequency of 5 kHz. As follows from FIG. 5, an increase in the frequency of radiation in the proposed device does not lead to going beyond the limits of compliance with this criterion: curves 1, 2, 3, 4 - at frequencies of 5 kHz. 20 kHz, 25 kHz, 100 kHz in the range (-60° ÷ +60°) radiation within the same main lobe (dynamic range ~ 30 dB, angular width in level (-3 dB) is also almost the same and is about 16°), additional lobes are absent at frequencies of 20 kHz, 25 kHz, 100 kHz (curves 2, 3, 4), insignificant symmetrical additional lobes with a level (-20 dB) are observed in the directions of 75° to the left and right relative to the acoustic axis . Thus, for the proposed device, this criterion is also satisfactorily met.

Для практической оценки рассмотренных выше преимуществ была проведена тестовая градуировка гидрофона (∅50 мм, ЦТС-19) в диапазоне частот (5 ÷ 25) кГц на дискретных аттестованных точках третьоктавнош ряда с помощью как предлагаемого устройства, так и устройства по прототипу (см. ГОСТ 12090 - 80. Частоты для акустических измерений. Предпочтительные ряды http://docs.cntd.ru/document/1200016367 дата обращения 1.12.2019). Метрологическая обработка результатов многократно повторенных измерений для каждой рабочей точки заключалась в расчете средней квадратической погрешности серий измерений

Figure 00000029
или в децибелах σ0=20lg(1+σ/Аср),For a practical assessment of the advantages discussed above, a test calibration of the hydrophone (∅50 mm, TsTS-19) was carried out in the frequency range (5 ÷ 25) kHz at discrete certified points of one-third octaves of the series using both the proposed device and the prototype device (see GOST 12090 - 80. Frequencies for acoustic measurements. Preferred series http://docs.cntd.ru/document/1200016367 accessed 1.12.2019). Metrological processing of the results of repeated measurements for each operating point consisted in calculating the root mean square error of measurement series
Figure 00000029
or in decibels σ 0 \u003d 20lg (1 + σ / A cf ),

где

Figure 00000030
- среднее значение измеряемой чувствительности гидрофона в режиме приема, Ai - чувствительность гидрофона в режиме приема при i-м измерении, n - число измерений. Оказалось, что использование заявляемого устройства в сравнении с прототипом позволило снизить среднюю квадратическую погрешность σ0 многократных измерений: для прототипа она составила 0,6 дБ, а для заявляемого устройства - 0,4 дБ, т.е. удалось существенно увеличить точность измерений.where
Figure 00000030
- the average value of the measured sensitivity of the hydrophone in the receiving mode, A i - the sensitivity of the hydrophone in the receiving mode at the i-th measurement, n - the number of measurements. It turned out that the use of the claimed device in comparison with the prototype made it possible to reduce the root-mean-square error σ 0 of multiple measurements: for the prototype it was 0.6 dB, and for the claimed device - 0.4 dB, i.e. it was possible to significantly increase the accuracy of measurements.

Испытания макета заявляемого устройства для градуировки электроакустических преобразователей позволили установить следующие технические характеристики:Tests of the layout of the proposed device for calibrating electroacoustic transducers made it possible to establish the following technical characteristics:

диапазон рабочих сигналов разностной частоты - (2 ÷ 300) кГц;range of operating signals of difference frequency - (2 ÷ 300) kHz;

опорный уровень звукового давления 15 Па на расстоянии 1 м на разностной частоте 5 кГц;reference sound pressure level 15 Pa at a distance of 1 m at a difference frequency of 5 kHz;

ширина основного лепестка характеристики направленности в диапазоне указанных выше рабочих сигналов разностной частоты - (30±1) град;the width of the main lobe of the directional characteristic in the range of the above working signals of the difference frequency - (30±1) deg;

параметры апертуры излучающего электроакустического преобразователя - резонансная частота 1,014 МГц, диаметр 40 мм, слабовогнутый или резонансная частота 2,03 МГц, диаметр 30 мм, слабовыпуклый,aperture parameters of the radiating electroacoustic transducer - resonant frequency 1.014 MHz, diameter 40 mm, slightly concave or resonant frequency 2.03 MHz, diameter 30 mm, slightly convex,

длина зоны дифракции - 5 см или 4 см;length of the diffraction zone - 5 cm or 4 cm;

зона сферического распространения - 0,5 м или 0,3 м;spherical distribution zone - 0.5 m or 0.3 m;

режим работы - импульсный; длительность импульса - (0,06 ÷ 12) мс; частота следования импульсов - (0,5 ÷ 400) Гц; назначение -гидроакустические измерения.operating mode - pulse; pulse duration - (0.06 ÷ 12) ms; pulse repetition rate - (0.5 ÷ 400) Hz; purpose - hydroacoustic measurements.

Заявляемое устройство для градуировки электроакустических преобразователей может найти широкое применение в области акустических измерений и гидроакустики.The proposed device for calibrating electroacoustic transducers can be widely used in the field of acoustic measurements and hydroacoustics.

Ссылочные обозначения.Reference designations.

1, 2. Генераторы гармонических колебаний,1, 2. Generators of harmonic oscillations,

3. Сумматор3. Totalizer

4. Импульсный модулятор4. Pulse modulator

5. Синхронизатор5. Synchronizer

6. Согласующий усилитель6. Matching amplifier

7. Усилитель мощности7. Power amplifier

8. Режекторный фильтр8. Notch filter

9. Излучающий электроакустический преобразователь9. Radiating electroacoustic transducer

10. Водная среда10. Aquatic environment

11. Заглушенный бассейн11. Drowned pool

12. Образцовый электроакустический приемный преобразователь12. Exemplary electroacoustic receiving transducer

13. Градуируемый электроакустический приемный преобразователь13. Graduated electroacoustic receiving transducer

14. Аналоговый ключ приемного тракта14. Analog key of the receiving path

15. Усилитель приемного тракта15. Receiving path amplifier

16. Блок фильтров16. Filter block

17. Стробирующий блок17. Strobe block

18. Осциллограф18. Oscilloscope

19. Самописец19. Recorder

20. Координатная система для установки и перемещения преобразователей,20. Coordinate system for installing and moving transducers,

21. Амплитудный детектор21. Amplitude detector

22. Фильтр низкой частоты22. Low pass filter

23. Частотомер23. Frequency counter

24. Блок управления24. Control unit

Claims (3)

1. Устройство для градуировки электроакустических преобразователей, содержащее излучающий тракт, включающий в себя генератор гармонических колебаний, импульсный модулятор, синхронизатор, усилитель мощности, частотомер, излучающий электроакустический преобразователь, приемный тракт, включающий образцовый и градуируемый приемные электроакустические преобразователи, аналоговый ключ для коммутации приемных электроакустических преобразователей, усилитель, блок фильтров, стробирующий блок, блок управления излучающим и приемным трактами и заглушенный бассейн для размещения электроакустических преобразователей, содержащий координатную систему для установки и перемещения преобразователей, отличающееся тем, что в излучающий тракт дополнительно введены второй генератор гармонических колебаний, сумматор, амплитудный детектор, фильтр низкой частоты, согласующий усилитель и режекторный фильтр, причем выходы обоих генераторов гармонических колебаний соединены с двумя сигнальными входами сумматора, первый выход которого через импульсный модулятор, согласующий усилитель, усилитель мощности и режекторный фильтр соединен со входом излучающего электроакустического преобразователя, второй выход сумматора через амплитудный детектор и фильтр низкой частоты соединен с сигнальным входом частотомера, а выходы блока управления соединены с управляющими входами обоих генераторов гармонических колебаний, синхронизатора, частотомера и аналогового ключа.1. A device for calibrating electroacoustic transducers, containing a radiating path, including a harmonic oscillation generator, a pulse modulator, a synchronizer, a power amplifier, a frequency meter, a radiating electroacoustic transducer, a receiving path, including exemplary and calibrated receiving electroacoustic transducers, an analog key for switching receiving electroacoustic transducers transducers, an amplifier, a filter unit, a strobe unit, a control unit for the radiating and receiving paths, and a muted pool for accommodating electroacoustic transducers, containing a coordinate system for installing and moving the transducers, characterized in that a second generator of harmonic oscillations, an adder, an amplitude detector, low-pass filter, matching amplifier and notch filter, and the outputs of both harmonic generators are connected to two signal inputs of the adder, not the first output of which is connected through a pulse modulator, a matching amplifier, a power amplifier and a notch filter to the input of a radiating electro-acoustic transducer, the second output of the adder is connected through an amplitude detector and a low-frequency filter to the signal input of a frequency meter, and the outputs of the control unit are connected to the control inputs of both harmonic oscillation generators , synchronizer, frequency meter and analog key. 2. Устройство для градуировки электроакустических преобразователей по п. 1, отличающееся тем, что излучающий электроакустический преобразователь выполнен с резонансной частотой ƒ0 и в его полосе пропускания находятся частоты ƒ1, ƒ2 гармонических колебаний генераторов, связанные соотношением (ƒ12)/2=ƒ0. 2. A device for calibrating electro-acoustic transducers according to claim 1, characterized in that the radiating electro-acoustic transducer is made with a resonant frequency ƒ 0 and in its passband there are frequencies ƒ 1 , ƒ 2 of harmonic oscillations of generators related by the ratio (ƒ 12 ) /2=ƒ0 . 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит самописец и осциллограф, подключенные к блоку управления.3. The device according to claim. 1, characterized in that it additionally contains a recorder and an oscilloscope connected to the control unit.
RU2021117347A 2020-07-28 Apparatus for grading electroacoustic transducers RU2782354C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021117347A RU2782354C2 (en) 2020-07-28 Apparatus for grading electroacoustic transducers

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021117347A RU2782354C2 (en) 2020-07-28 Apparatus for grading electroacoustic transducers

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2021117347A RU2021117347A (en) 2022-01-28
RU2782354C2 true RU2782354C2 (en) 2022-10-26

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2814647C1 (en) * 2023-10-18 2024-03-04 Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Тихоокеанское Высшее Военно-Морское Училище Имени С.О. Макарова" Министерства Обороны Российской Федерации (Г. Владивосток) Device for calibrating hydroacoustic receivers in small-volume chamber using parametric resonance

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1753627A1 (en) * 1990-05-03 1992-08-07 Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Reversible acoustic electric transducer calibration method and device for realization
RU117762U1 (en) * 2012-02-08 2012-06-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" DEVICE FOR ABSOLUTE GRADING OF RADIATING AND RECEIVING ACOUSTIC CONVERTERS
RU121113U1 (en) * 2012-05-03 2012-10-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" ACOUSTIC CONVERTER SELF-GRADING DEVICE
RU2700042C1 (en) * 2019-01-30 2019-09-12 Общество с ограниченной ответственностью "НЕЛАКС" Method for controlling the shape of the main lobe of the pattern function of the emitting parametric antenna and the device for realizing

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1753627A1 (en) * 1990-05-03 1992-08-07 Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" Reversible acoustic electric transducer calibration method and device for realization
RU117762U1 (en) * 2012-02-08 2012-06-27 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" DEVICE FOR ABSOLUTE GRADING OF RADIATING AND RECEIVING ACOUSTIC CONVERTERS
RU121113U1 (en) * 2012-05-03 2012-10-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ" ACOUSTIC CONVERTER SELF-GRADING DEVICE
RU2700042C1 (en) * 2019-01-30 2019-09-12 Общество с ограниченной ответственностью "НЕЛАКС" Method for controlling the shape of the main lobe of the pattern function of the emitting parametric antenna and the device for realizing

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2814647C1 (en) * 2023-10-18 2024-03-04 Федеральное Государственное Казенное Военное Образовательное Учреждение Высшего Образования "Тихоокеанское Высшее Военно-Морское Училище Имени С.О. Макарова" Министерства Обороны Российской Федерации (Г. Владивосток) Device for calibrating hydroacoustic receivers in small-volume chamber using parametric resonance
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
US11391863B2 (en) Method of free-field broadband calibration of hydrophone sensitivity based on pink noise
CN109302667B (en) Method and device for rapidly measuring broadband sending response of underwater acoustic emission transducer
Kurt et al. Vibro-acoustic design, manufacturing and characterization of a tonpilz-type transducer
RU2782354C2 (en) Apparatus for grading electroacoustic transducers
Felix et al. Experimental investigation of cross-coupling and its influence on the elementary radiation pattern in 1D ultrasound arrays
Li et al. Simultaneously determining sensitivity and effective geometrical parameters of ultrasonic piezoelectric transducers using a self-reciprocity method
Isaev et al. Laboratory free-field calibration of a hydroacoustic receiver at low frequencies
RU121113U1 (en) ACOUSTIC CONVERTER SELF-GRADING DEVICE
RU2821706C1 (en) Method for absolute calibration of emitting and receiving electroacoustic transducers of antenna unit of acoustic doppler current profile recorder
Daemen et al. Simulation of a circular phased array for a portable ultrasonic polar scan
Felix et al. 1D ultrasound array: Performance evaluation and characterization by laser interferometry
RU117762U1 (en) DEVICE FOR ABSOLUTE GRADING OF RADIATING AND RECEIVING ACOUSTIC CONVERTERS
RU2626068C2 (en) Method for calibration of parametric tract and device for its implementation
Xiao et al. A method for impedance characteristics of underwater transducer planar array based on near-field acoustic holography technology
Hill et al. Reinterpretation of the reciprocity theorem for the calibration of acoustic emission transducers operating on a solid
EP4343319A1 (en) Method, device, and system for ultrasonic estimation of plant-leaf physiological response
Ahn et al. Practical method for parametric array source evaluation at 120 kHz frequency range in the near-field region
Krokhmal et al. Creating a Reference Plane Ultrasonic Wave in a Fluid Using a Plane Piezoelectric Transducer with a Large Wave Dimension
Revel et al. Sound power estimation by laser Doppler vibration measurement techniques
Skuratov et al. Pulse and Directional Characteristics of Wideband Antennas Consisting of Rod Transducers, Excited According to the Solution of the Synthesis Problem
Fan et al. Research on the ultrasonic transducer sensitivity
Gavrilov Nonlinear method for measuring the frequency response of an acoustic wave receiver
Kang et al. Wideband Electromagnetic Dynamic Acoustic Transducer as a Standard Acoustic Source for Air-coupled Ultrasonic Sensors
SU1760650A1 (en) Process of determination of sensitivity of electroacoustic converter by reciprocity method
Kuntz Radiated sound and the geometric nearfield size