Способ градуировки гидрофона по полю при излучении непрерывного сигнала в измерительном бассейне с отражениями

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для градуировки гидрофонов по полю в условиях реверберационного поля, возникающего при непрерывном излучении звуковой волны в незаглушенном гидроакустическом бассейне. Техническим результатом изобретения является повышение точности градуировки гидрофона. Способ заключается в том, что в бассейне гидрофон располагают на известном расстоянии от излучателя. Возбуждают излучатель линейно частотно модулированным сигналом (ЛЧМ сигналом) с известными параметрами. Облучают гидрофон непрерывным сигналом излучателя. Затем измеряют мгновенные значения тока излучателя и выходного напряжения гидрофона, по которым определяют комплексную частотную зависимость переходного импеданса (ПИ) излучателя и гидрофона в реверберационном поле незаглушенного гидроакустического бассейна. Затем определяют комплексную частотную зависимость ПИ излучателя и гидрофона в условиях свободного поля путем скользящего комплексного взвешенного усреднения в установленном интервале частот комплексной частотной зависимости ПИ излучателя и гидрофона в реверберационном поле с использованием взвешивающей функции, которая задается временными задержками сигналов, отраженных измерительным бассейном. 3 ил.

 

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для градуировки гидрофонов по полю в условиях реверберационного поля, возникающего при непрерывном излучении звуковой волны в незаглушенном гидроакустическом бассейне.

Термин «градуировка гидрофона по полю» подразумевает определение чувствительности гидрофона по напряжению в свободном поле бегущей звуковой волны.

Под свободным полем понимают поле сферической звуковой волны, распространяющейся в изотропной однородной среде, что на практике реализовать невозможно.

Поэтому градуировка гидрофона по полю практически всегда проводится в условиях отражений (реверберационного поля).

В незаглушенном измерительном бассейне проблема градуировки гидрофона по полю обусловлена необходимостью борьбы с отражениями.

Известен способ градуировки гидрофона по полю в незаглушенном измерительном бассейне [Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения. / Пер. с англ. под ред. А.Н.Голенкова. - М.: Мир. - 1974, CEI/IEC 60565:2006. Underwater acoustics - hydrophones - calibration in the frequency range 0.01 Hz to 1 MHz. International Electrotechnical Commission. Geneva. Switzerland. - 2006], в котором прямой сигнал излучателя и сигналы, отраженные измерительным бассейном, разделяют методом временной селекции. При этом в качестве сигнала используют тонально-импульсный гидроакустический сигнал.

Недостатками известного способа являются искажения формы тонального импульса переходными процессами в узкополосном измерительном тракте, снижение эффективности временной селекции с уменьшением частоты и, как следствие, -ограничение нижней частоты градуировки по полю, большое время измерения подробной частотной характеристики, необходимость когерентного накопления тональных импульсов на приеме для повышения отношения сигнал/шум.

Известен способ градуировки гидрофона по полю в условиях непрерывного излучения линейно частотно модулированного сигнала - ЛЧМ сигнала с известными параметрами в незаглушенном бассейне с частотным разделением прямого и отраженных сигналов, принятый за прототип [Peder С. Pedersen, Peter A. Lewin, Leif Bjørnø, Application of time-delay spectrometry for calibration of ultrasonic transducers / IEEE transaction on ultrasonics, ferroelectric and frequency control. - March, 1988. - Vol. 35, №2. - P.185-205].

Прототип заключается в расположении в измерительном бассейне пар излучатель-гидрофон при известном расстоянии между излучателем и гидрофоном, определении для каждой пары излучатель-гидрофон временных задержек сигналов, отраженных отражающими поверхностями измерительного бассейна, возбуждении каждой пары излучатель-гидрофон линейно частотно модулированным сигналом с известными параметрами, измерении выходного напряжения гидрофона и тока излучателя, определении частотной зависимости переходного импеданса пары излучатель-гидрофон в бассейне с отражениями, определении по полученной зависимости переходного импеданса пары излучатель-гидрофон в условиях свободного поля с последующим определением по полученным для каждой пары излучатель-приемник частотным зависимостям переходного импеданса в условиях свободного поля частотной зависимости чувствительности гидрофона по полю.

Прототип называют способом спектрометрии временных задержек (СВЗ). Недостатками способа СВЗ являются погрешности градуировки гидрофона, обусловленные нарушением условий свободного поля и искажениями искомой частотной характеристики чувствительности гидрофона усреднением, а также использование только одного типа непрерывного сигнала с распределенной в полосе частот мощностью - ЛЧМ сигнала.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения,является повышение точности градуировки гидрофона по полю в незаглушенном измерительном бассейне (в условиях реверберационного поля) за счет уменьшения влияния отражений на результаты градуировки, уменьшения искажений искомой частотной характеристики чувствительности гидрофона усреднением.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном способе, заключающемся в расположении в измерительном бассейне пар излучатель-гидрофон при известном расстоянии между излучателем и гидрофоном, определении для каждой пары излучатель-гидрофон временных задержек сигналов, отраженных отражающими поверхностями измерительного бассейна, возбуждении каждой пары излучатель-гидрофон линейно частотно модулированным сигналом с известными параметрами, измерении выходного напряжения гидрофона и тока излучателя, определении частотной зависимости переходного импеданса пары излучатель-гидрофон в условиях свободного поля с последующим определением по полученным для каждой пары излучатель-приемник частотным зависимостям переходного импеданса в условиях свободного поля частотной зависимости чувствительности гидрофона по полю для каждой пары излучатель-гидрофон измеряют мгновенные значения тока излучателя и выходного напряжения гидрофона, по которым определяют комплексную частотную зависимость переходного импеданса пары в бассейне с отражениями, а комплексную частотную зависимость переходного импеданса пары излучатель-гидрофон в условиях свободного поля определяют скользящим взвешенным комплексным усреднением в установленном интервале частот комплексной частотной зависимости переходного импеданса пары излучатель-гидрофон в бассейне с отражениями с использованием взвешивающей функции, которая строится исходя из значений временных задержек сигналов, отраженных измерительным бассейном.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг.1 представлена схема реализации способа; на фиг.2, 3 - диаграммы, поясняющие работу способа.

На фиг.1 представлена система излучатель-приемник, состоящая из трех последовательно включенных линейных элементов: излучателя, бассейна и приемника. Каждый элемент системы будем характеризовать своей передаточной функцией. Излучатель - чувствительностью на излучение SP(ƒ), бассейн - передаточной функцией звукового давления НWT(ƒ), приемник - чувствительностью на прием МH(ƒ). Входом и выходом системы являются соответственно ток излучателя iP(ƒ) и выходное напряжение приемника uH(ƒ).

Передаточную функцию (ПФ) бассейна с учетом отражений HWT(ƒ) определим как отношение звуковых давлений в точке приема: суммарного звукового давления pΣ(ƒ) и звукового давления р0(ƒ) в прямой волне HWT(ƒ)=pΣ(ƒ)/p0(ƒ). Градуировка методом взаимности по полю основана на измерении переходного импеданса (ПИ) системы излучатель-приемник в условиях распространения прямой волны. В рассматриваемом представлении это соответствует единичной ПФ HWT(ƒ). Поставим задачу: найти условия, при которых ПФ бассейна становится близкой к единице.

В предположении конечного числа значимых отражений звуковое давление в точке приема pΣ(ƒ) представим суммой давления в прямой волне p0(ƒ) и давлений pi(ƒ) в отраженных волнах: . ПФ бассейна запишем через функции отражений в виде: . Очевидно, что поставленная задача может быть достигнута, если влияние уменьшить до нуля.

Давление в отраженной волне pi(ƒ) представим через давление в прямой волне р0(ƒ) и фазовую задержку для разности хода прямой и отраженной волны Δri. Для упрощения записей и без ущерба общности рассуждений будем считать, что Δr1<Δr2<…<Δrn, коэффициент отражения не зависит от частоты и равен единице, а амплитуда давления в отраженной волне не зависит от разности хода Δr. Исходя из сделанных допущений pi(ƒ)=p0(ƒ)exp(-jk Δri) и , где k=2πƒ/с - волновое число.

Рассмотрим результат скользящего комплексного усреднения функции НWT(ƒ) в интервале частот Δƒ.

,

где εi(f,Δf)=ψ/(Δf,τi) exp(-jkΔri) - остаточное влияние отражения с номером i, τi=Δri/с - временная задержка отраженной волны, функция задает относительное уменьшение влияния отражения, вызванное усреднением в частотном интервале Δƒ, в зависимости от временной задержки отражения τ.

При усреднении в интервале частот Δƒ1=1/τ1 компонента, обусловленная влиянием 1-го отражения ε1(ƒ, Δƒ1) обращается в нуль, а влияние отражений εi(ƒ, Δƒi) (i>1), задержанных на время τi1, уменьшается не менее чем 5 раз, поскольку для τ>τ1 функция ψ(Δƒ1, τ) по абсолютной величине не превосходит 0,21.

Нетрудно показать, что аналогичные рассуждения справедливы для любого i-го отражения и каждое скользящее комплексное усреднение ПФ бассейна HWT(ƒ) в интервале частот 1/τ1 исключает влияние отражения, задержанного на время τi, и приводит к не менее чем 5-кратному ослаблению влияния более поздних отражений. В общем случае суммарное уменьшение влияния отражений в результате m≤n последовательных усреднений в частотных интервалах Δƒ1=1/τ1, Δƒ2=1/τ2,…, Δƒm=1/τm, задает функция .

Сказанное выше проиллюстрировано зависимостями, представленными на фиг.2. На фиг.2 а изображены частотные интервалы Δƒ1 и Δƒ2, комплексное скользящее усреднение в которых ПФ бассейна позволяет исключить влияние отражений, задержанных на время τ1=1/Δƒ1 и τ2=1,5τ1. Результат двух последовательных усреднений может быть достигнут одним усреднением в частотном интервале Δƒ1+Δƒ2 с использованием взвешивающей функции h(ƒ). Взвешивающая функция получается сверткой функций двух прямоугольных окон шириной Δƒ1 и Δƒ2. Функция h(ƒ) изображена на фиг.2 а и имеет вид трапеции с основаниями Δƒ1+Δƒ2 и Δƒ1-Δƒ2.

На фиг.2б кривыми «1-е», «2-е» и «1-е + 2-е» изображены функции ψ(Δƒ1, τ) и ψ(Δƒ2, τ), соответствующие равновзвешенному усреднению в интервалах частот Δƒ1 и Δƒ2, и функция ψΣ(Δƒ1, Δƒ2, τ)=ψ(Δƒ1, τ)ψ(Δƒ2, τ), соответствующая усреднению с применением взвешивающей функции h(ƒ). Временная задержка τ на графиках выражена в единицах относительно задержки первого отражения τ1. Учитывая эквивалентность отношения временных задержек τ/τ1 и отношения расстояний Δr/Δr1 (Δr=сr, Δr1=сτ1), представленные на фиг.2б функции удобно рассматривать как характеристики пространственных фильтров, реализуемых при усреднении ПФ бассейна в интервале частот. Поскольку ψ(Δƒ1, τ1)=ψ(Δƒ2, τ2)=0 функции ψ(Δƒ1, τ) и ψ(Δƒ2, τ) можно считать характеристиками пропускания режектирующих пространственных фильтров, настроенных на отражения, задержанные на τ1 и τ2 соответственно. Медленное затухание осцилляций функции ψ(Δƒ1, τ) при τ>τ1 и функции ψ(Δƒ2, τ) при τ>τ2 свидетельствует о значительном паразитном пропускании пространственного фильтра (до 21%), реализуемого равновзвешенным усреднением ПФ бассейна. Совместное применение режектирующих фильтров первого и второго отражений дает значительно лучшую характеристику пропускания. Скользящее комплексное взвешенное усреднение (СКВУ) в интервале частот Δƒ=Δƒ1+Δƒ2 приводит к полному подавлению влияния первого и второго отражений, а влияние отражений, задержанных на время τ>τ2, уменьшает не менее чем на 98,3%. На практике это может оказаться достаточным. Характеристику пропускания пространственного фильтра можно улучшить применением третьего усреднения. При этом бывает предпочтительно применять фильтр, настроенный на максимум осцилляций функции ψΣ(Δƒ1, Δƒ2, τ) при τ>τ2, а не пространственный фильтр, настроенный на третье отражение. Результат применения такого дополнительного фильтра проиллюстрирован на фиг.2б зависимостью «1-e+2-e + 3-е», осцилляции которой для τ>τ2 по абсолютной величине не превосходят 0,005. Этого оказывается вполне достаточно для применения СКВУ в эталонах для градуировки гидрофонов по полю.

Таким образом, применяя к ПФ бассейна СКВУ в интервале частот Δƒ, равном сумме частотных интервалов режектирующих фильтров, с весовой функцией h(ƒ), полученной сверткой соответствующих прямоугольных частотных окон, получим:

Частотный интервал усреднения Δƒ, в котором достигается соотношение (1), будем называть частотным интервалом бассейна.

Оценивание ПИ излучатель-приемник в свободном поле по результатам измерений ПИ в бассейне с отражениями основано на свойстве ПФ бассейна, которое выражает формула (1). Возвращаясь к системе, изображенной на фиг.1, ПИ излучатель-приемник Z'PH(ƒ), измеренный в поле, искаженном отраженными волнами, представим в виде произведения ПИ излучатель-приемник в свободном поле ZPH(ƒ)=SP(ƒ)МH(ƒ) на ПФ бассейна: Z'PH(ƒ)=ZPH(ƒ)HWT(ƒ) и рассмотрим результат скользящего взвешенного комплексного усреднения ПИ излучатель-приемник Z'PH(ƒ) в интервале частот бассейна Δƒ:

,

где , и

.

В последнем нетрудно убедиться, избегая строгого математического доказательства и основываясь на типичном предположении относительно частотной зависимости ZPH(ƒ): частотный интервал осцилляции ПИ излучатель-приемник в свободном поле обычно значительно превышает частотный интервал осцилляции ПИ Z'PH(ƒ), измеренного с отражениями.

На фиг.3а и б рядами 1 представлены частотные зависимости ПИ излучатель-приемник в бассейне с отражениями, полученные в интервале частот от 17,8 до 22,2 кГц при расстояниях между излучателем и приемником 0,83 и 4,3 м соответственно и пересчитанные (приведенные) к расстоянию 1 м. Рядами 2 и 3 показаны частотные зависимости модуля приведенного переходного импеданса (ППИ) соответственно после первого и второго равновзвешенного скользящего усреднения комплексной частотной зависимости ППИ излучатель-приемник. Частотный интервал первого усреднения выбран так, чтобы исключить влияние первого отражения, при этом влияние остальных отражений подавляется недостаточно. Оставшиеся искажения почти полностью исключаются вторым комплексным усреднением, что демонстрируют ряды 3. Ряды 3, полученные при расстояниях 0,83 и 4,3 м, практически совпадают (различия не превосходят 0,5%), что подтверждает выполнение обратно пропорционального закона изменения звукового давления с расстоянием между излучателем и приемником с точностью, достаточной для эталонных измерений.

Способ градуировки гидрофона по полю при излучении непрерывного сигнала в измерительном бассейне с отражениями, заключающийся в расположении в измерительном бассейне пар излучатель-гидрофон при известном расстоянии между излучателем и гидрофоном, определении для каждой пары излучатель-гидрофон временных задержек сигналов, отраженных отражающими поверхностями измерительного бассейна, возбуждении каждой пары излучатель-гидрофон линейно частотно-модулированным сигналом с известными параметрами, измерении выходного напряжения гидрофона и тока излучателя, определении частотной зависимости переходного импеданса пары излучатель-гидрофон в бассейне с отражениями, определении по полученной зависимости частотной зависимости переходного импеданса пары излучатель-гидрофон в условиях свободного поля с последующим определением по полученным для каждой пары излучатель-приемник частотным зависимостям переходного импеданса в условиях свободного поля частотной зависимости чувствительности гидрофона по полю, отличающийся тем, что для каждой пары излучатель-гидрофон измеряют мгновенные значения тока излучателя и выходного напряжения гидрофона, по которым определяют комплексную частотную зависимость переходного импеданса пары в бассейне с отражениями, а комплексную частотную зависимость переходного импеданса пары излучатель-гидрофон в условиях свободного поля определяют скользящим взвешенным комплексным усреднением в установленном интервале частот комплексной частотной зависимости переходного импеданса пары излучатель-гидрофон в бассейне с отражениями с использованием взвешивающей функции, которая строится, исходя из значений временных задержек сигналов, отраженных измерительным бассейном.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для градуировки и калибровки линейных приемных гидроакустических измерительных антенн в лабораторных условиях.

Изобретение относится к измерению разборчивости речи и предназначено для оценки защиты объектов от несанкционированной утечки акустической речевой информации в реальных условиях.

Изобретение относится к измерению разборчивости речи и предназначено для оценки защиты объектов от несанкционированной утечки акустической речевой информации в реальных условиях.

Изобретение относится к измерению максимально возможной разборчивости речи в крайне неблагоприятных условиях, в шуме, при малых отношениях сигнал/шум и предназначено, в основном, для определения защиты объектов при утечке речевой информации по нескольким каналам утечки одновременно.

Изобретение относится к измерению максимально возможной разборчивости речи в крайне неблагоприятных условиях, в шуме, при малых отношениях сигнал/шум и предназначено в основном для определения защиты объектов при утечке речевой информации по нескольким каналам утечки одновременно.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для экспресс-оценки характеристики направленности гидроакустического излучателя (ХНГИ). .

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для калибровки и поверки линейных гидроакустических антенн в лабораторных условиях. .

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и решает задачу повышения точности измерения энергетической ширины дискретной спектральной шума источника при его движении.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к области измерения параметров пьезоэлектрических преобразователей. .

Изобретение относится к области акустики, в частности к способам и устройствам для коррекции воспроизведения акустического сигнала электроакустическим преобразователем, и может быть применено для улучшения параметров воспроизведения акустических сигналов различных электроакустических преобразователей

Изобретение относится к области средств построения управляющих и информационных систем автоматизации технологических процессов, а конкретно к технике сбора, передачи, обработки и отображения информации, необходимой для оперативного контроля и управления производственным процессом

Изобретение относится к области поверки пьезоэлектрических гидрофонов и определения возможности их дальнейшего использования без демонтажа с объекта эксплуатации

Использование: изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для абсолютной комплексной градуировки гидрофонов (Г) по полю, в результате которой получают модуль и фазовый угол чувствительности Г для акустического центра Г. Сущность: известный метод взаимности дополняется повторением действий метода взаимности для пары обратимый преобразователь (ОП) - градуируемый Г после поворота Г на 180°. В результате этого измеряют изменение временной задержки сигнала ОП, принятого Г, при изменении направления приема гидрофона с исходного на противоположное, и вычисляют набег фазы, соответствующий измеренной временной задержке на частоте эксперимента. Затем Г и ОП облучают излучателем и вновь повторяют известные действия метода взаимности. Полученное значение набега фазы вносят как поправку при определении фразового угла комплексной чувствительности Г. Технический результат: устранение погрешности фазовой градуировки Г, возникающей вследствие несовпадения геометрического и акустического центров Г. 1 ил.

Изобретения относятся к измерительной технике и метрологии и могут быть использованы для проверки работоспособности измерительных трактов (ИТ), работающих в тяжелых рабочих условиях. Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является контроль работоспособности ИТ. Данный технический результат достигают за счет того, что на измерительный преобразователь (ИП) ИТ подают при отключенном ИП сначала первый тестовый сигнал (в виде сигналов белого шума), а затем второй, но другой спектральной плотности. Затем измеряют отклики ИТ на первый и второй тестовые сигналы. Если отклики на тестовые сигналы находятся в том же соотношении, что и сами тестовые сигналы, то диагностируют работоспособность ИТ. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при градуировке гидрофонов (Г) в измерительном бассейне методом взаимности. Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является повышение точности градуировки Г методом взаимности при использовании тонально-импульсных сигналов. Данный технический результат достигают за счет того, что в качестве тонально-импульсного сигнала в стандартном методе градуировки Г методом взаимности используют однопериодные тонально-импульсные сигналы с гауссовой огибающей. 3 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано при градуировке гидрофонов (Г) в измерительном бассейне методом сличения. Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является повышение точности градуировки Г методом сличения при использовании тонально-импульсных сигналов. Данный технический результат достигают за счет того, что в качестве тонально-импульсного сигнала в стандартном методе градуировки Г методом сличения используют однопериодные тонально-импульсные сигналы с гауссовой огибающей. 5 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, метрологии и гидроакустике и может быть использовано для бездемонтажной проверки рабочего состояния гидроакустического тракта в натурных условиях. Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является устранение необходимости проведения температурных измерений при практической реализации изобретения. Сначала на вход проверяемого гидроакустического тракта подключают эквивалент с узкополосным спектром одной величины, а затем подключают электрический эквивалент с узкополосным спектром другой величины. На выходе проверяемого тракта берут отношение получаемых откликов подаваемых тестовых сигналов. При равенстве этого отношения с отношением тестовых сигналов диагностируют исправность гидроакустического тракта. 1 ил.

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для градуировки гидрофонов по полю в условиях реверберационного поля, возникающего при непрерывном излучении звуковой волны в незаглушенном гидроакустическом бассейне

Наверх