Устройство для определения акустических параметров приемников градиента давления
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области измерения параметров пьезоэлектрических преобразователей. Технический результат – упрощение устройства, расширение диапазона частот определяемых параметров в сторону низких частот без увеличения габаритов устройства, обеспечение возможности определения параметров приемников градиента давления с низким порогом чувствительности в любой среде, в том числе и в воде. Устройство обладает малым уровнем шумов, легко реализуемо в составе вычислительного комплекса. Устройство для определения акустических параметров приемников градиента давления содержит жесткую трубу, на первом торце которой установлен первый излучатель, электрически соединенный с генератором сигналов. Внутри трубы установлены испытуемый приемник градиента давления и первый измерительный приемник давления, электрически соединенные соответственно с первым и вторым входом коммутатора, выход которого соединен со входом регистрирующей аппаратуры. Жесткая труба выполнена замкнутой и на ее втором торце установлен второй излучатель, идентичный первому, подсоединенный к генератору сигналов через фазовращатель. В центральной части жесткой трубы установлен испытуемый приемник градиента давления, состоящий из металлической втулки, в поперечном сечении которой установлен герметично и жестко скрепленный по контуру с внутренней поверхностью втулки биморфный изгибный чувствительный элемент. При этом металлическая втулка представляет собой стенку центральной части жесткой трубы, а в устройство введен второй измерительный приемник давления, идентичный первому, установленный с ним соосно и симметрично, по разные стороны от испытуемого приемника градиента давления и электрически соединенный с третьим входом коммутатора. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области измерения параметров пьезоэлектрических преобразователей.
Акустические приемники градиента давления имеют достаточно малые размеры и вместе с тем обладают направленностью, что делает их особенно привлекательными при решении ряда задач направленного приема на низких частотах.
Одним из распространенных видов приемников градиента давления является приемник градиента давления, выполненный в виде изгибного биморфного чувствительного элемента, представляющего собой тонкий металлический диск, к которому приклеен дисковый пьезоэлемент, закрепленного по контуру к массивной втулке (ПГБ) [1, с.314-316]. Заявка решает проблему определения параметров приемников градиента давления данной конструкции.
Использование акустических приемников градиента давления чаще всегда требует знаний его технических и метрологических характеристик, в частности частотную характеристику чувствительности и диаграмму направленности, которые характеризуют приемник и сферу его применения. Характеристики требуется определить, периодически подтверждать, проверять их в зависимости от срока и условий эксплуатации.
Известно устройство, обеспечивающее измерение частотной характеристики чувствительности и диаграммы направленности акустических приемников градиента давления, построенные по принципу непосредственного сравнения с образцовым приемником давления в “свободном поле”, и только в случае, если на оба приемника воздействует истинно плоская волна.
Такое устройство содержит генератор, электрически соединенный с излучателем, поворотное устройство, на котором установлены образцовый ненаправленный приемник давления и испытуемый приемник градиента давления, подсоединенные через коммутатор к регистрирующей аппаратуре [1, с.85].
То же устройство обеспечивает определение диаграммы направленности и характеристики чувствительности в ближней зоне “свободного поля”.
Однако трудности измерения как в дальней, так и ближней зонах связаны в основном с трудностями обеспечения условий “свободного поля” и с аппаратными трудностями, связанными со сложностью создания эффективных низкочастотных излучателей и механических устройств для вращения преобразователей в разных плоскостях [1, с.89].
Известно устройство, лишенное ряда ограничений, связанных с измерениями в “свободном поле”, основанное на использовании трубы Бауэра со стоячей волной. Устройство представляет собой замкнутый отрезок трубы с жесткими стенками, который подвешен на мягких подвесах и колеблется целиком с находящейся в трубе жидкостью и испытуемым приемником градиента давления. На торце трубы установлен акселерометр. Жидкость, находящаяся внутри отрезка трубы, движется при этом как небольшой участок системы со стоячей волной и имеет вполне определенное распределение амплитуды давления и колебательной скорости. Если измерить колебательную скорость торцов трубы с помощью акселерометра, то колебательную скорость и давление в любой точке замкнутой трубы можно вычислить, а далее, зная напряжение холостого хода с выхода приемника градиента давления, рассчитать его чувствительность [2, с.184].
Однако это устройство является сложным в техническом исполнении, поскольку требует создания генератора гармонических механических колебаний, подвесов, допускает работу только с инерционной средой (водой) и обеспечивает только дискретное построение диаграммы направленности, связанное с последовательными остановками, перемещением по углу градуируемого приемника и повторением эксперимента.
Наиболее близким по совокупности признаков к предлагаемому изобретению является устройство, описанное в [2, с.182]. Устройство представляет собой открытую с одного торца вертикальную трубу, на закрытом торце которой установлен излучатель, подсоединенный ко входу генератора сигналов. Во внутренней полости трубы установлены измерительный ненаправленный приемник давления и испытуемый приемник градиента давления, закрепленный на поворотном устройстве. Выходы измерительного приемника давления и испытуемого приемника градиента давления через коммутатор соединены со входом регистрирующей аппаратуры. Труба заполнена водой.
Стоячие волны, возбужденные излучателем в столбе жидкости между излучателем и отражающей поверхностью вода-воздух, воздействуют на приемник градиента давления и измерительный приемник давления. Значения напряжений с этих приемников поступают на регистрирующую аппаратуру, и рассчитывается чувствительность испытуемого приемника градиента давления по давлению. Диаграмма направленности приемника градиента давления регистрируется при повороте вала поворотного устройства от 0° до 360°.
Недостатком данного устройства является ограниченность применения, вызванная необходимостью использования сред, обеспечивающих на границе раздела импеданс, близкий к нулю, размеры, равные или близкие к четвертьволновым, что не совместимо с возможностью измерений на низких частотах, низкий уровень звуковых давлений, необходимых для определения параметров приемников градиента давления с низким порогом чувствительности, создание механических устройств для вращения в заданной плоскости и с достаточной точностью. Устройство обеспечивает работу только в вертикальном положении.
Задачей изобретения является создание эффективного акустического устройства для определения параметров ПГБ, лишенного недостатков устройства прототипа.
Техническими результатами заявленного изобретения являются упрощение устройства, расширение диапазона частот определяемых параметров в сторону низких частот без увеличения габаритов устройства, обеспечение возможности определения параметров ПГБ с низким порогом чувствительности в любой среде, в том числе и в воде, обладает малым уровнем шумов, легко реализуемо в составе вычислительного комплекса.
Для достижения указанных технических результатов в устройство для определения акустических параметров приемников градиента давления, содержащее жесткую трубу, на первом торце которой установлен первый излучатель, электрически соединенный с генератором сигналов, а внутри трубы установлены испытуемый приемник градиента давления и первый измерительный приемник давления, электрически соединенные соответственно с первым и вторым входом коммутатора, выход которого соединен со входом регистрирующей аппаратуры, введены новые признаки, а именно: жесткая труба выполнена замкнутой и на ее втором торце установлен второй излучатель, идентичный первому, подсоединенный к генератору сигналов через фазовращатель, в центральной части жесткой трубы установлен испытуемый приемник градиента давления, состоящий из металлической втулки, в поперечном сечении которой установлен герметично и жестко скрепленный по контуру с внутренней поверхностью втулки биморфный изгибный чувствительный элемент, при этом металлическая втулка представляет собой стенку центральной части жесткой трубы, а в устройство введен второй измерительный приемник давления, идентичный первому, установленный с ним соосно и симметрично, по разные стороны от испытуемого приемника градиента давления и электрически соединенный с третьим входом коммутатора.
Конструкция заявленного устройства упрощается, а эффективность повышается, если первый и второй приемники давления выполнены в виде пьезокерамических цилиндрических преобразователей, образующих симметричные относительно испытуемого приемника градиента давления участки жесткой трубы.
Поясним достижение заявленных технических результатов.
В “свободном поле” при плоской волне на два акустических входа ПГБ, расположенных на расстоянии длины втулки 
х, действуют давления, разность которых, обусловленная фазовым сдвигом на х (градиент давления), приводит к тому, что мембрана и пьезокерамический диск прогибается, и напряжение на выходе пьезокерамического диска будет выражаться формулой
где 
- круговая частота, с - скорость звука в среде, 
- угловое положение приемника градиента давления на источник, Р - величина звукового давления, Mx(t) - чувствительность ПГБ к давлению, f - частота.
Выражение (/с x cos ) есть набег фазы в плоской волне (фазовая задержка) на расстоянии х и является элементом ненормированной диаграммой направленности выражения (1), в котором напряжение на выходе ПГБ зависит от разности фаз давления, действующего на акустические входы приемника градиента давления, определенной угловым положением приемника на источник звука. Отсюда следует, что если создать устройство, которое обеспечит на акустических входах эквивалентную угловому положению ПГБ разность фаз давления, и изменять эту фазу пропорционально углу поворота ПГБ, то регистрирующая аппаратура зафиксирует на выходе ПГБ напряжение -е, что является ненормированной диаграммой направленности, полученной без реального вращения вокруг оси перпендикулярной образующей ПГБ. Для реализации этого способа предлагается использовать замкнутый отрезок трубы с излучателями по торцам и ПГБ в центре этой трубы, разделяющий объем этой трубы надвое изгибным чувствительным биморфным элементом. Каждый из излучателей организует в получившейся камере звуковое давление, причем фазовый сдвиг одного относительно другого будет определяться фазовращателем, включенным последовательно с одним из излучателей. При изменении фазовой задержки в пределах от 0 до (/с х cos ) непрерывно или дискретно можно получить диаграмму направленности без применения поворотного устройства.
При этом измерительные приемники давления фиксируют звуковое давление в трубе, и усредненное по двум показаниям напряжение es будет пропорционально
Сравнивая величины еS для =0 и е, из выражения (1) и (2), получим значения чувствительности для приемника градиента давления
где Ms(f) - зависимость чувствительности от частоты измерительного приемника давления.
Таким образом, частотную характеристику чувствительности и диаграмму направленности ПГБ возможно получить в предлагаемом устройстве без применения механических поворотных устройств. При этом при измерении в воздухе обеспечивается низкий импеданс по всему объему камеры, поэтому приемник градиента давления со сравнительно низким импедансом не нарушает однородности давления в каждой половине камеры, сохраняет фазовые соотношения давлений и позволяет измерить диаграмму направленности и чувствительность испытуемого приемника. Труба выполнена жесткой, а излучатели установлены на двух торцевых поверхностях трубы, чем достигается высокое давление, создаваемое излучателями и воспринимаемое ПГБ. Измерение в более плотных средах (например, вода) возможно, но предъявляет некоторые требования к конструкции градуируемых приемников или повлечет рост погрешности результата измерений.
Сущность изобретения представлена на фиг.1, 2, 3, где на фиг.1 изображена структурная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 представлена диаграмма направленности ПГБ, полученная на предлагаемом устройстве, на фиг.3 представлена частотная характеристика чувствительности испытуемого ПГБ, снятая при помощи устройства.
Заявленное устройство представляет собой жесткую замкнутую трубу 1, на торцах которой установлены первый и второй идентичные излучатели 2, 3. Центральная часть трубы образована металлической втулкой 4 ПГБ 5. В центральном сечении втулки установлен герметично и жестко скрепленный по контуру с внутренней поверхностью втулки биморфный изгибный чувствительный элемент, выполненный в виде тонкого металлического диска 6, к которому приклеен заполяризованный по толщине тонкий диск из пьезокерамики 7. К обеим торцевым поверхностям металлической втулки, симметрично относительно ее центрального поперечного сечения, торцами через соединительные втулки 8, 9, присоединены два пьезокерамических цилиндра 10, 11, наружный диаметр которых равен диаметру металлической втулки. Пьезоэлектрические цилиндры заполяризованы в направлении радиуса и выполняют функцию приемников давления. В другом исполнении ненаправленные приемники давления могут быть заменены, например, на ненаправленные гидрофоны. Излучатель 2 электрически соединен с выходом генератора 12, а излучатель 3 - с выходом фазовращателя 13, вход которого соединен с выходом генератора 12. Выходы измерительных приемников давления 10, 11 и выход приемника градиента давления 5 электрически соединены с коммутатором 14, выход которого подсоединен ко входу регистрирующей аппаратуры 15.
В данном примере в качестве регистрирующей аппаратура были использованы приборы фирмы Brual & Kjar, анализатор 2010 и самописец 2307, также был использован генератор Г-103, излучателями служили динамики 0,5 ГДШ - 15. Вращающий вал фазовращателя был связан механически с приводом самописца.
Измерение параметров ПГБ с помощью предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. По известным значениям , с и х определяют максимальное значение фазовой задержки 
=(/С) х.
Значение устанавливают как предельное на фазовращателе 13.
Для определения диаграммы направленности устанавливают фазовращатель в нуль, включают генератор сигналов 12 и регистрируют принятый измерительными приемниками уровень сигнала на регистрирующей аппаратуре 15. Переключают коммутатор так, чтобы к регистрирующей аппаратуре был подключен ПГБ. Изменяя угол фазовой задержки в пределах от 0 до (/с х cos ), где - виртуальный угол поворота ПГБ вокруг своей оси, производят регистрацию выходного напряжения - е на его выходе.
Изменяя фазу давления с помощью фазовращателя, добиваются максимальных показаний на выходе ПГБ еmax по показаниям регистрирующей аппаратуры, после чего переключают коммутатор и регистрируют показания es на выходе измерительных приемников давления 9, 10. Изменяя частоту, повторяют измерения. Определяют частотную характеристику чувствительности приемника градиента давления Mx(f) no формуле (3).
Описанный алгоритм измерений легко реализуется на вычислительных машинах, а низкие частоты и неограниченное время измерений не вызывает трудностей при техническом их воплощении. Предлагаемое устройство может быть использовано как в качестве испытательного оборудования, так и в качестве средства измерения после соответствующей процедуры аттестации или поверки.
Предлагаемое устройство было изготовлено, прошло испытания и в настоящее время применяется при исследованиях ПГБ. На фиг.2 и 3 представлены, соответственно, диаграмма направленности ПГБ, снятая на частоте 100 Гц при виртуальном повороте ПГБ на =0°-540°, и вычисленная чувствительность по давлению Мх(f) в диапазоне реальных фазовых сдвигов при х=20,0 мм. Размеры трубы (без ПГБ) не превышают 120,0 мм и диаметр 35,0 мм. Установка позволяет производить измерения как в воде, так и в воздухе, в диапазоне частот 0,1-1000,0 Гц при уровне чувствительности приемников градиента давления 0,1-1000,0 мкВ/Па, что позволяет считать задачу изобретения решенной.
Источники информации
1. Р.Боббер. “Гидроакустические измерения” М., “Мир”, 1974.
2. Г.К.Скребнев. “Комбинированные гидроакустические приемники”. СПб., 1997.
Формула изобретения
1. Устройство для определения акустических параметров приемников градиента давления, содержащее жесткую трубу, на первом торце которой установлен первый излучатель, электрически соединенный с генератором сигналов, а внутри трубы установлены испытуемый приемник градиента давления и первый измерительный приемник давления, электрически соединенные соответственно с первым и вторым входами коммутатора, выход которого соединен со входом регистрирующей аппаратуры, отличающееся тем, что жесткая труба выполнена замкнутой и на ее втором торце установлен второй излучатель, идентичный первому, подсоединенный к генератору сигналов через фазовращатель, в центральной части жесткой трубы установлен испытуемый приемник градиента давления, состоящий из металлической втулки, в поперечном сечении которой установлен герметично и жестко скрепленный по контуру с внутренней поверхностью втулки биморфный изгибной чувствительный элемент, при этом металлическая втулка представляет собой стенку центральной части жесткой трубы, а в устройство введен второй измерительный приемник давления, идентичный первому, установленный с ним соосно и симметрично по разные стороны от испытуемого приемника градиента давления и электрически соединенный с третьим входом коммутатора.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первый и второй приемники давления выполнены в виде пьезокерамических цилиндрических преобразователей, образующих симметричные относительно испытуемого приемника градиента давления участки жесткой трубы.
РИСУНКИ
