Способ определения амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик чувствительности по полю гидроакустического приемника

Изобретение относится к гидроакустике. Стенд содержит излучатель, обратимый преобразователь и градуируемый гидроакустический приемник, которые расположены в измерительном бассейне на одной прямой и разнесены в пространстве относительно друг друга на определенное расстояние. Излучатель и обратимый преобразователь поочередно возбуждают электрическим сигналом и определяют передаточные импедансы по полю пары излучатель - градуируемый приемник, пары излучатель - обратимый преобразователь и пары обратимый преобразователь - градуируемый приемник. Вычисляют амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики чувствительности по полю градуируемого гидроакустического приемника к звуковому давлению по формуле метода взаимности. Амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики чувствительности по полю гидроакустического приемника к векторным величинам гидроакустического поля определяют по формулам

. Технический результат - расширение функциональных возможностей. 1 ил.

 

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

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

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

Возможности известного способа ограничены частотой 1-2 кГц (так называемой, критической частотой камеры). Попытки выполнить в камере градуировки на более высоких частотах приводят к значительному увеличению погрешности результата, что обусловлено как усложнением математической модели камеры, так и возрастающими с частотой искажениями звукового поля устанавливаемым в камеру градуируемым векторным приемником с его системой крепления. Недостатком известного способа является также то, что в результате градуировки не удается определить фазочастотную характеристику чувствительности векторного приемника.

За прототип принят способ определения чувствительности гидроакустического приемника звукового давления методом взаимности в свободном поле, который применяют на частотах от единиц килогерц и выше для градуировки гидрофона [3, 4].

Метод взаимности основан на использовании обратимого преобразователя, чувствительности которого на прием и излучение связаны известной зависимостью (параметр взаимности). Метод позволяет выполнять градуировку без использования опорного акустического приемника с известной чувствительностью, при этом дает возможность получать значения фазового угла чувствительности.

Прототип, например в [4], заключается в расположении в измерительном бассейне с водой излучателя Р, обратимого преобразователя T и градуируемого приемника R при известных расстояниях rPR между излучателем и приемником, rPT между излучателем и обратимым преобразователем и rTR между обратимым преобразователем и приемником достаточно больших для формирования на приемнике локально-плоских сферических звуковых волн излучателя и обратимого преобразователя, а на обратимом преобразователе - локально-плоской волны излучателя, возбуждении излучателя электрическим сигналом, измерении тока через излучатель и выходных напряжений приемника и обратимого преобразователя, возбуждении обратимого преобразователя электрическим сигналом, измерении тока через обратимый преобразователь и выходного напряжения приемника, определении частотных зависимостей комплексных передаточных импедансов по полю ZPR(ƒ) пары излучатель - градуируемый приемник, ZPT(ƒ) пары излучатель - обратимый преобразователь, ZTR(ƒ) пары обратимый преобразователь - градуируемый приемник, определении амплитудно-частотной | M R ( ƒ ) | и фазочастотной arg(ΜR(ƒ)) характеристик чувствительности по полю градуируемого гидроакустического приемника к звуковому давлению по формулам

где ƒ - частота, ρ - плотность воды, |…| и arg(…) означают соответственно модуль и аргумент комплексной частотной зависимости, k=2π/λ - волновое число, λ - длина звуковой волны, с - скорость звука в воде.

Недостатком прототипа является то, что способ позволяет определить только амплитудно- и фазочастотную характеристики чувствительности приемника к звуковому давлению (скалярной величине гидроакустического поля). Возможности метода ограничены градуировкой гидрофонов (гидроакустических приемников звукового давления).

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

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном способе, заключающемся в расположении в измерительном бассейне с водой излучателя Р, обратимого преобразователя T и градуируемого приемника R при известных расстояниях rPR между излучателем и приемником, rPT между излучателем и обратимым преобразователем и rTR между обратимым преобразователем и приемником достаточно больших для формирования на приемнике локально-плоских сферических звуковых волн излучателя и обратимого преобразователя, а на обратимом преобразователе - локально-плоской волны излучателя, возбуждении излучателя электрическим сигналом, измерении тока через излучатель и выходных напряжений приемника и обратимого преобразователя, возбуждении обратимого преобразователя электрическим сигналом, измерении тока через обратимый преобразователь и выходного напряжения приемника, определении частотных зависимостей комплексных передаточных импедансов по полю ZFR(ƒ) пары излучатель - градуируемый приемник, ZPT(ƒ) пары излучатель - обратимый преобразователь, ZTR(ƒ) пары обратимый преобразователь - градуируемый приемник, определении амплитудно-частотной | M R ( ƒ ) | и фазочастотной arg(MR(ƒ)) характеристик чувствительности по полю градуируемого гидроакустического приемника к звуковому давлению по формулам

где ƒ - частота, ρ - плотность воды, |…| и arg(…) означают соответственно модуль и аргумент комплексной частотной зависимости, k=2π/λ - волновое число, λ - длина звуковой волны, с - скорость звука в воде, амплитудно-частотную | M R ' ( ƒ ) | и фазочастотную arg ( M R ' ( ƒ ) ) характеристики чувствительности по полю гидроакустического приемника к векторным величинам гидроакустического поля определяют по формулам

где для гидроакустического приемника градиента звукового давления | θ ( r ) | = k 2 r 2 + 1 r и arg(θ(r))=arctg(kr), для приемника колебательной скорости частиц воды

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема расположения преобразователей в измерительном бассейне при градуировке гидроакустического векторного приемника.

Обратимый преобразователь Т, векторный гидроакустический приемник R и излучатель P располагают в измерительном бассейне на одной прямой, как это показано на чертеже с излучателем. Расстояния rPT между излучателем и обратимым преобразователем, rPR между излучателем и векторным приемником, rTR между обратимым преобразователем и векторным приемником выбирают такими, чтобы падающие в измерительном эксперименте на обратимый преобразователь и векторный приемник сферические волны можно считать локально плоскими.

Возможность комплексной градуировки по полю векторного приемника с использованием метода взаимности поясним на примере приемника градиента звукового давления (ПГД).

Комплексное напряжение UPR на выходе ПГД, находящегося в поле сферической волны на расстоянии rPR от излучателя, пропорционально градиенту звукового давления:

где M R ' - комплексная чувствительность к градиенту звукового давления, p r = p s p h ( r ) θ ( r ) и p s p h = p 0 r 0 r e j k ( r r 0 ) - соответственно градиент звукового давления и звуковое давление в сферической волне на расстоянии r от излучателя, [1].

Комплексный передаточный импеданс ZPR пары излучатель - градуируемый ПГД получают как отношение комплексного выходного напряжения канала UPR к комплексному току излучателя IP:

где rPR - расстояние между ПГД и излучателем, SP - комплексная чувствительность на излучение к току.

Запись комплексного передаточного импеданса ZTR пары обратимый преобразователь - ПГД имеет аналогичный вид:

где rTR - расстояние между ПГД и обратимым преобразователем, где ST и IT - соответственно комплексные чувствительность на излучение к току и ток через обратимый преобразователь.

В общепринятой записи комплексный передаточный импеданс ZPT пары излучатель - обратимый преобразователь (преобразователей звукового давления) имеет вид:

где rPT - расстояние между излучателем и обратимым преобразователем.

В поле сферической волны комплексные чувствительность обратимого преобразователя на прием и на излучение связаны между собой через комплексный параметр взаимности, полученный Беранеком [3, 4]:

Используя выражения (1), (2), (3), (4) аналогично тому, как это сделано в прототипе [4] для комплексной чувствительности гидрофона, получим формулы, позволяющие вычислять модуль | M R ' | и фазовый угол arg ( M R ' ) комплексной чувствительности ПГД с использованием параметра взаимности обратимого преобразователя звукового давления:

где

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

Этим достигается поставленный технический результат.

Литература

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

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

3. L.D. Luker and A.L. Van Buren, "Phase calibration of hydrophones," J. Acoust. Soc. Am. 70, 516-519 (1981).

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

Способ определения амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик чувствительности по полю гидроакустического приемника, заключающийся в расположении в измерительном бассейне с водой излучателя P, обратимого преобразователя T и градуируемого приемника R при известных расстояниях rPR между излучателем и приемником, rPT между излучателем и обратимым преобразователем и rTR между обратимым преобразователем и приемником достаточно больших для формирования на приемнике локально-плоских сферических звуковых волн излучателя и обратимого преобразователя, а на обратимом преобразователе - локально-плоской волны излучателя, возбуждении излучателя электрическим сигналом, измерении тока через излучатель и выходных напряжений приемника и обратимого преобразователя, возбуждении обратимого преобразователя электрическим сигналом, измерении тока через обратимый преобразователь и выходного напряжения приемника, определении частотных зависимостей комплексных передаточных импедансов по полю ZPR(f) пары излучатель - градуируемый приемник, ZPT(f) пары излучатель - обратимый преобразователь, ZTR(f) пары обратимый преобразователь - градуируемый приемник, определении амплитудно-частотной |MR(f)| и фазочастотной arg(MR(f)) характеристик чувствительности по полю градуируемого гидроакустического приемника к звуковому давлению по формулам


где f - частота, ρ - плотность воды, k=2 π / λ - волновое число, λ - длина звуковой волны, c - скорость звука в воде, отличающийся тем, что амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики чувствительности по полю гидроакустического приемника к векторным величинам гидроакустического поля определяют по формулам


где для гидроакустического приемника градиента звукового давления и arg( θ (r))=arctg(kr), для приемника колебательной скорости частиц воды и arg( θ (r))=-arctg(1/kr).



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к гидроакустической метрологии, в частности к способам измерения комплексной частотной характеристики передаточного импеданса системы излучатель-приемник.

Изобретение относится к акустической метрологии, в частности к способу определения чувствительности гидроакустического приемника. Согласно способу излучатель, эталонный гидрофон с известной чувствительностью и градуируемый приемник располагают в бассейне с водой при известных расстояниях между излучателем и приемником и излучателем и опорным гидрофоном.

Изобретение относится к способам контроля эффективности защиты речевого сигнала от утечки по техническим каналам. Технический результат заключается в повышении достоверности оценки защищенности речевой информации.

Изобретение относится к измерительной технике, метрологии и гидроакустике и может быть использовано для бездемонтажной проверки рабочего состояния гидроакустического тракта в натурных условиях.

Изобретение относится к измерительной технике, метрологии и гидроакустике и может быть использовано для бездемонтажной проверки рабочего состояния гидроакустического тракта в натурных условиях.

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.

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.

Изобретения относятся к измерительной технике и метрологии и могут быть использованы для проверки работоспособности измерительных трактов (ИТ), работающих в тяжелых рабочих условиях.

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.

Изобретение относится к области акустики, в частности к средствам адаптации звуковых сигналов. Адаптер содержит первый и второй интерфейсы, усилитель аудиосигнала и контур полного сопротивления. Первый интерфейс состоит из контакта приема аудиосигнала, контакта микрофона и контакта заземления. Второй интерфейс имеет выходной контакт аудиосигнала. Контур усиления аудиосигнала настроен на усиление аудиосигнала, принимаемого контактом приема аудиосигнала. Аудиосигнал, принимаемый контактом приема аудиосигнала, поступает на контакт микрофона или контакт заземления через эквивалентное сопротивление контура усиления аудиосигнала. Контур сопротивления соединяет контакт микрофона и контакт заземления. Также система содержит средство обнаружения интерфейса, которое имеет собственный интерфейс. Интерфейс устройства обнаружения содержит выходной контакт сигнала обнаружения, контакт заземления и входной контакт обнаружения. Выводной контакт обнаружения подключен к первому интерфейсу адаптера, контакт заземления интерфейса обнаружения соединен с контактом микрофона устройства адаптера аудиосигнала. Технический результат - обеспечение возможности автоматического различения типа аудиоштекера. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к акустике, в частности к средствам измерения звукоизолирующих свойств обтураторов. Устройство содержит микрофон ушного канала, приемник, контур предварительной обработки, блок преобразования частоты, блок оценки качества изоляции. При этом определение показателя качества изоляции выполняется на основе Фурье-анализа с получением частотного спектра сигналов. Затем выполняется сравнение уровней сигнала в первом и втором частотных диапазонах. Показание качества изоляции вычисляется при обнаружении усиления низких частот, либо при изменении величины частотного спектра, либо при вычислении градиента измеренной величины как функции частоты. При этом в качестве тестовых сигналов используют звуки, издаваемые телом человека. В случае несоответствия измеренных характеристик установленным требованиям, формируется сигнал оповещения. Технический результат – снижение габаритных размеров устройства, повышение энергосбережения, повышение точности оценки показателей качества звукоизоляции. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к метрологии, в частности к способам калибровки гидрофонов. Способ настройки максимальной чувствительности волоконно-оптического гидрофона предполагает подачу света по волоконно-оптической линии к микромембране, с последующим приемом отраженного света фотоприемником. При этом используют модулированный по амплитуде и по частоте свет, формируют модулированным лазерным излучением сигнал с частотой модуляций, близкой к резонансной частоте микромембраны, которым возбуждают вынужденные колебания микромембраны; измеряют резонансную частоту микромембраны ν, затем при постоянной мощности изменяют длину волны излучения от источника света в пределах, превышающих спектральную ширину свободной дисперсии интерферометра Фабри-Перо, согласно математическому выражению, учитывающему расстояние от отражающей поверхности микромембраны до торцевой поверхности одномодового волоконного световода H0, и показатель преломления среды n. Затем измеряют экстремальные значения длины волны λmax и λmin излучения, соответствующие выходным сигналам, вычисляют среднее значение, изменяют длину волны излучения до длины волны λk, соответствующей среднему значению Uср выходного сигнала. Технический результат – повышение чувствительности гидрофона. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к метрологии. Согласно способу измерения мощности на излучающую поверхность ультразвукового преобразователя устанавливают два идентичных тестовых образца, на каждом из которых крепят термочувствительный элемент. Подают на ультразвуковой преобразователь возбуждающий электрический сигнал, регистрируют сигналы с термочувствительных элементов. При этом образцы соединены с преобразователем таким образом, что первая излучающая поверхность ультразвукового преобразователя находится в тепловом и акустическом контакте с поверхностью первого тестового образца, а вторая излучающая поверхность ультразвукового преобразователя находится только в тепловом контакте с поверхностью второго тестового образца. Регистрацию сигналов температуры производят в точках соответственно первого и второго тестовых образцов, расположенных симметрично и на одинаковом расстоянии относительно соответственно первой и второй излучающих поверхностей ультразвукового преобразователя, а значение акустической мощности, излучаемой в первый тестовый образец, определяют по результатам измерений значений температуры. Технический результат – повышение точности измерений. 2 ил.

Изобретение относится к виброакустической метрологии. Измерительное устройство содержит средство генерирования вибрации, удерживаемое на голове манекена. Голова манекена снабжена искусственным ухом, имитирующим человеческое ухо. Устройство также содержит детектор вибраций, расположенный в ухе, и микрофон. Устройство также снабжено искусственной барабанной перепонкой с размещенными в ней датчиками. Манекен также имеет искусственный наружный слуховой проход, при этом модель человеческого уха выполнена из материала, такого как резина. Материал, используемый для модели уха, удовлетворяет требованиям IEC 60318-7 или IEC 60268-7, или представляет собой материал, обладающий твердостью по Шору от 30 до 60. Модель уха также имеет ушную раковину. Устройство излучения вибраций и звука удерживается в ушной раковине или в отверстии слухового прохода. Наружный слуховой проход имеет длину от 5 мм до 40 мм. Искусственное ухо выполнено с возможностью прикрепляться или сниматься с головы манекена. Крепление выполняется с возможностью сцепления или приварения к блоку искусственного наружного слухового прохода. Модель уха и искусственный наружный слуховой проход выполнены в виде единой целой детали из одного материала. Технический результат – обеспечение более детального и точного исследования особенностей передачи звука как костной проводимости, так и воздушной проводимости. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к измерению разборчивости речи и предназначено для оценки защиты объектов от несанкционированной утечки акустической речевой информации (АРИ). Техническим результатом является уменьшение времени и повышение точности вычисления уровня разборчивости речи за счет применения пространственно-распределенного преобразователя акустического сигнала (ПРП АС). Для вычисления соотношения сигнал/шум в выделенном помещении (ВП) с источником АРИ применяют ПРП АС, проложенный внутри ВП любой формы и представленный оптическим волокном, с подключенным к нему измерительным модулем. Передатчиком измерительного модуля излучают измерительные импульсные сигналы с периодом Т, а приемником принимают акустически модулированную последовательность отраженных измерительных импульсных сигналов от различных заданных К точек ВП, идентифицируемых временем возврата отраженных измерительных импульсных сигналов tk. Демодулируют акустическую составляющую принятых отраженных измерительных импульсных сигналов от различных К точек ВП с источником АРИ, вычисляют соотношения сигнал/шум в них. Строят вариационный ряд значений соотношения сигнал/шум, выбирают старший член вариационного ряда для вычисления уровня разборчивости речи. 5 ил.

Изобретение относится к области метрологии гидроакустических измерений и может быть использовано для градуировки гидрофонов методом эталонного излучателя. Предложен способ градуировки гидрофонов методом эталонного излучателя, заключающийся в расположении градуируемого гидрофона в гидроакустическом бассейне на расстоянии R от эталонного излучателя, возбуждении излучателя сигналом в диапазоне частот, излучении акустического сигнала и приеме градуируемым гидрофоном прямого акустического сигнала излучателя и сигналов, отраженных границами бассейна, определении частотной зависимости амплитуды напряжения на выходе гидрофона Uг(f), определении для Uг(f) зависимости коэффициентов Фурье S(τ), разделении по параметру τ коэффициентов Фурье Ss(τ), относящихся к прямому и отраженным сигналам, определении зависимости S'(τ) обнулением в S(τ) коэффициентов Фурье, относящихся к отраженным сигналам, определении частотной зависимости амплитуды выходного напряжения градуируемого гидрофона в свободном поле U'г(f) обратным преобразованием Фурье S'(τ) и определении чувствительности градуируемого гидрофона по свободному полю Mг(f) в диапазоне частот градуировки по формуле где P(f) - частотная зависимость амплитуды звукового давления, создаваемого эталонным излучателем в свободном поле на расстоянии R от излучателя, отличающийся тем, что в качестве сигнала возбуждения излучателя применяют линейно-частотно-модулированный сигнал, регистрируют мгновенные значения напряжения на выходе гидрофона, определяют синфазную Us(f) и квадратурную Uс(f) составляющие частотной зависимости напряжения гидрофона, преобразование Фурье применяют отдельно к синфазной и к квадратурной составляющим и определяют зависимости коэффициентов Фурье Ss(τ) и Sc(τ), определяют зависимости S's(τ) и S'c(τ) обнулением соответственно в Ss(τ) и Sc(τ) коэффициентов, относящихся к отраженным сигналам, определяют синфазную U's(f) и квадратурную U'c(f) составляющие частотной зависимости выходного напряжения гидрофона в свободном поле обратным преобразованием Фурье S's(τ) и S'c(τ), а частотную зависимость амплитуды выходного напряжения градуируемого гидрофона в свободном поле U'г(f) определяют по формуле Далее чувствительность градуируемости гидрофона определяют по формуле (1). 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к акустической метрологии. Измерительная система для оценивания акустического устройства, причем акустическое устройство позволяет пользователю слышать звук посредством вибрации вибрирующего элемента, система содержит модель уха, включающую в себя искусственное ухо, смоделированное в соответствии с ухом человека, и искусственный наружный слуховой проход, составляющий единое целое с искусственным ухом, и микрофон. Благодаря тому, что акустическое устройство находится в состоянии контакта с искусственным ухом, вибрация передается от искусственного уха к искусственному наружному слуховому проходу. Причем твердость по Шору искусственного наружного слухового прохода составляет от 20 до 60. При этом микрофон располагается на конце искусственного наружного слухового прохода. Искусственный наружный слуховой проход присоединен к трубчатому участку. Модель уха присоединена к модели головы. Модель уха включает в себя участок, выполненный из материала, отвечающего IEC 60318-7. Модель уха дополнительно включает в себя искусственный хрящ, заглубленный в искусственном ухе, и искусственный хрящ находится в положении, соответствующем козелку в искусственном ухе. Технический результат – повышение эффективности измерений. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к гидроакустике. Стенд содержит излучатель, обратимый преобразователь и градуируемый гидроакустический приемник, которые расположены в измерительном бассейне на одной прямой и разнесены в пространстве относительно друг друга на определенное расстояние. Излучатель и обратимый преобразователь поочередно возбуждают электрическим сигналом и определяют передаточные импедансы по полю пары излучатель - градуируемый приемник, пары излучатель - обратимый преобразователь и пары обратимый преобразователь - градуируемый приемник. Вычисляют амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики чувствительности по полю градуируемого гидроакустического приемника к звуковому давлению по формуле метода взаимности. Амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики чувствительности по полю гидроакустического приемника к векторным величинам гидроакустического поля определяют по формулам. Технический результат - расширение функциональных возможностей. 1 ил.

Наверх