Способ калибровки гидрофона по полю на низких частотах

Изобретение относится к метрологии, в частности к гидроакустическим измерениям. Гидрофон располагают в бассейне на определенном расстоянии от излучателя. Излучатель возбуждают линейно-частотно-модулированным сигналом, частоту которого уменьшают от начального значения до нуля, затем, сохраняя непрерывность фазы сигнала, увеличивают до начальной частоты. Регистрируя мгновенные значения тока излучателя и выходного напряжения гидрофона, определяют комплексную частотную зависимость передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле бассейна в интервале частот, симметричном относительно нулевой частоты. Полученную частотную зависимость корректируют на частотную зависимость параметра взаимности. Частотную зависимость ПИ пары излучатель-гидрофон в свободном поле определяют скользящим комплексным взвешенным усреднением скорректированной частотной зависимости. Технический результат – обеспечение возможности калибровки гидрофонов на частотах, меньших половины ширины частотного интервала, и повышение точности калибровки на низких частотах. 5 ил.

 

Изобретение относится к гидроакустическим измерениям и может быть использовано для калибровки на низких частотах по полю гидрофонов и гидроакустических приемников в реверберационном звуковом поле, возникающем при непрерывном излучении звуковой волны в незаглушенном гидроакустическом бассейне.

Термин «калибровка 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 калибровку гидрофона по полю всегда выполняют при наличии отражений (в реверберационном поле), что обуславливает необходимость борьбы с отражениями.

Известен способ калибровки гидрофона по полю в незаглушенном 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 поверхностями бассейна, разделяют методом временной селекции. При этом 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 калибровки по полю, большое время измерения подробной частотной характеристики, необходимость когерентного накопления тональных импульсов на приеме для повышения отношения сигнал/шум.

Известен способ калибровки гидрофона по полю при излучении ЛЧМ сигнала в незаглушенном бассейне, принятый за прототип [Исаев А.Е., Матвеев А.Н., Сильвестров С.В. Способ градуировки гидрофона по полю при излучении непрерывного сигнала в измерительном бассейне с отражениями. Патент РФ №2390968 С2. Кл. H04R 29/00. Опубликован 27.05.2010 в БИ №15], в котором измеряют частотную зависимость передаточного импеданса (ПИ) пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле бассейна, частотную зависимость (ПИ) пары излучатель-гидрофон по свободному полю получают, подавляя реверберационные осцилляции измеренной частотной зависимости.

Прототип заключается в расположении в бассейне пар излучатель-гидрофон при известном расстоянии между излучателем и гидрофоном, определении для каждой пары излучатель-гидрофон временных задержек отраженных сигналов, возбуждении каждой пары излучатель-гидрофон линейно-частотно-модулированным сигналом с известными параметрами, измерении мгновенных значений тока излучателя и выходного напряжения гидрофона, определении по полученным значениям комплексной частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле бассейна, получении комплексной частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в свободном поле скользящим комплексным взвешенным усреднением частотной зависимости передаточного импеданса пары в реверберационном звуковом поле с использованием взвешивающей функции, которая строится исходя из значений временных задержек отраженных сигналов, определении частотной зависимости чувствительности гидрофона по полю по полученным для каждой пары излучатель-гидрофон частотным зависимостям передаточного импеданса в свободном поле.

Прототип называют способом скользящего комплексного взвешенного усреднения (СКВУ). Недостатками способа являются невозможность калибровки гидрофона по полю на частотах меньших половины ширины частотного интервала взвешенного усреднения и большая погрешность калибровки на низких частотах, на которых амплитуда звукового давления прямой волны излучателя значительно изменяется в частотном интервале усреднения.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является обеспечение возможности калибровки гидрофона по полю в незаглушенном измерительном бассейне на частотах меньших половины ширины частотного интервала усреднения и повышение точности калибровки на низких частотах, на которых амплитуда звукового давления прямой волны излучателя значительно изменяется в частотном интервале усреднения.

Данный технический результат достигают за счет того, что в известном способе, заключающемся в расположении в бассейне пар излучатель-гидрофон при известном расстоянии между излучателем и гидрофоном, определении для каждой пары излучатель-гидрофон временных задержек отраженных сигналов, возбуждении каждой пары излучатель-гидрофон линейно-частотно-модулированным сигналом с известными параметрами, измерении мгновенных значений тока излучателя и выходного напряжения гидрофона, определении по полученным значениям комплексной частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле бассейна, получении комплексной частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в свободном поле скользящим комплексным взвешенным усреднением частотной зависимости передаточного импеданса пары в реверберационном звуковом поле с использованием взвешивающей функции, которая строится исходя из значений временных задержек отраженных сигналов, определении частотной зависимости чувствительности гидрофона по полю по полученным для каждой пары излучатель-гидрофон частотным зависимостям передаточного импеданса в свободном поле для каждой пары излучатель-гидрофон частоту линейно-частотно-модулированного сигнала уменьшают от начального значения до нуля, затем, сохраняя непрерывность фазы сигнала, увеличивают до начальной частоты, по значениям тока и напряжения определяют комплексную частотную зависимость передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле в интервале частот, симметричном относительно нулевой частоты, относя значения, полученные при уменьшении частоты, к отрицательным частотам, а при увеличении частоты к положительным частотам, полученную частотную зависимость корректируют на частотную зависимость параметра взаимности, частотную зависимость передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в свободном поле определяют скользящим комплексным взвешенным усреднением скорректированной комплексной частотной зависимости в интервале частот, симметричном относительно нулевой частоты, значения чувствительности гидрофона по полю определяют по полученным для каждой пары излучатель-гидрофон значениям частотных зависимостей передаточных импедансов в свободном поле.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена схема реализации способа; на фиг. 2, 3, 4 - диаграммы, поясняющие работу способа; на фиг. 5 - результаты калибровки гидрофона.

Гидрофон Г располагают в гидроакустическом бассейне ГАБ на известном расстоянии от излучателя И. В памяти ЭВМ 1 формируют цифровой ЛЧМ сигнал в частотном интервале, симметричном относительно нуля на оси частот. С помощью цифроаналогового преобразователя 2 цифровой ЛЧМ сигнал преобразуют в электрическое напряжение и подают на усилитель мощности 3. Сигналом с выхода усилителя мощности возбуждают излучатель и создают в бассейне реверберационное звуковое поле. При этом на гидрофон падают прямая звуковая волна излучателя и отраженные звуковые волны с амплитудами звукового давления Р0 и Ротр соответственно. С помощью переключателя 4 через усилитель 5 на вход аналого-цифрового преобразователя 6 подают выходное напряжение гидрофона или напряжение, падающее на калиброванном сопротивлении R в цепи излучателя. Мгновенные значения напряжений записывают в память ЭВМ 1, которая выполняет математическую обработку.

Обработка мгновенных значений напряжений включает в себя следующие операции: Определяют времена начала излучения и прихода прямой и отраженных волн. По мгновенным значениям напряжения, падающего на сопротивлении R, и значению сопротивления R определяют мгновенные значения тока излучателя. По мгновенным значениям тока излучателя и напряжения на выходе гидрофона рассчитывают комплексные частотные зависимости тока и напряжения (например, используя преобразование Фурье).

Частотную зависимость ПИ пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле получают делением комплексной частотной зависимости напряжения на комплексную частотную зависимость тока с учетом времени распространения прямой волны. Получают скорректированную частотную зависимость ПИ умножением частотной зависимости ПИ пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле на частотную зависимость параметра взаимности.

Частотную зависимость ПИ пары излучатель-гидрофон по свободному полю получают, подвергая зависимость обработке по методу СКВУ [1]:

где n - количество отражений, подлежащих подавлению, τi - запаздывание i-й отраженной волны в точке приема, - частотный интервал взвешенного усреднения, - взвешивающая функция, полученная сверткой n единичных прямоугольных окон шириной τi.

Изложенное выше проиллюстрировано зависимостями, представленными на фиг. 2-5.

На фиг. 2 представлены диаграммы мгновенных значений тока излучателя (а) и напряжения на выходе гидрофона (б) при возбуждении излучателя ЛЧМ сигналом в симметричном относительно нуля на оси частот интервале.

На фиг. 3 представлены амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) зависимости ПИ пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле бассейна, полученные в результате коррекции на частотную зависимость параметра взаимности.

На фиг. 4 представлены амплитудно-частотная (а) и фазочастотная (б) зависимости ПИ пары излучатель-гидрофон по свободному полю, полученные в результате обработки по методу СКВУ.

Частотные зависимости ПИ пар излучатель-гидрофон по полю используют для определения чувствительности гидрофона, например, при калибровке методом сравнения с опорным гидрофоном используют формулу:

где - чувствительность опорного гидрофона, rи-г - расстояние между излучателем и калибруемым гидрофоном, rи-о - расстояние между излучателем и опорным гидрофоном, - ПИ по полю пары излучатель - опорный гидрофон, - ПИ по полю пары излучатель - калибруемый гидрофон, - означает модуль комплексной величины.

На фиг. 5 показаны результаты калибровки гидрофона В&К8104 методом сравнения с опорным гидрофоном с использованием предложенного способа. Для гидрофона В&К8104 на частотах ниже 1 кГц чувствительность, полученная в камере малого объема, совпадает с чувствительностью по полю.

Рядом 2 представлена частотная зависимость чувствительности гидрофона В&К8104, полученная в камере малого объема. Рядами 1 и 3 представлены частотные зависимости чувствительности, полученные предложенным методом в бассейне при расстоянии 3 м и 1,5 м до ближайшей отражающей поверхности, при этом частотные интервалы взвешенного усреднения составляли 500 Гц и 1000 Гц соответственно.

На частотах меньших 500 Гц отклонения чувствительности по полю, полученной в бассейне с использованием предложенного способа, от чувствительности, полученной в камере малого объема, не превосходят 0,3 дБ, что доказывает эффективность предложенного способа.

Способ может быть использован для калибровки на низких частотах гидрофона, размеры которого не позволяют определять его чувствительность в камере малого объема.

Литература

1. Исаев А.Е., Матвеев А.Н. Градуировка гидрофонов по полю при непрерывном излучении в реверберирующем бассейне // Акустический журнал. 2009. Том 55. №6. С. 727-736.

Способ калибровки гидрофона по полю в реверберационном звуковом поле не заглушенного бассейна, заключающийся в расположении в бассейне пар излучатель-гидрофон при известном расстоянии между излучателем и гидрофоном, определении для каждой пары излучатель-гидрофон временных задержек отраженных сигналов, возбуждении каждой пары излучатель-гидрофон линейно-частотно-модулированным сигналом с известными параметрами, измерении мгновенных значений тока излучателя и выходного напряжения гидрофона, определении по полученным значениям комплексной частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле бассейна, получении комплексной частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в свободном поле скользящим комплексным взвешенным усреднением частотной зависимости передаточного импеданса пары в реверберационном звуковом поле с использованием взвешивающей функции, которая строится исходя из значений временных задержек отраженных сигналов, определении частотной зависимости чувствительности гидрофона по полю по полученным для каждой пары излучатель-гидрофон частотным зависимостям передаточного импеданса в свободном поле, отличающийся тем, что для каждой пары излучатель-гидрофон частоту линейно-частотно-модулированного сигнала уменьшают от начального значения до нуля, затем, сохраняя непрерывность фазы сигнала, увеличивают до начальной частоты, по значениям тока и напряжения определяют комплексную частотную зависимость передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле в интервале частот, симметричном относительно нулевой частоты, относя значения, полученные при уменьшении частоты, к отрицательным частотам, а при увеличении частоты - к положительным частотам, полученную частотную зависимость корректируют на частотную зависимость параметра взаимности, частотную зависимость передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в свободном поле определяют скользящим комплексным взвешенным усреднением скорректированной комплексной частотной зависимости в интервале частот, симметричном относительно нулевой частоты, значения чувствительности гидрофона по полю определяют по полученным для каждой пары излучатель-гидрофон значениям частотных зависимостей передаточных импедансов в свободном поле.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к акустике, в частности к устройствам измерения уровня шума. Устройство оценки аудиопомех содержит микрофон, причем сигнал микрофона содержит составляющую тестового сигнала, соответствующую тестовому аудиосигналу, делитель для разделения сигнала микрофона на множество интервальных составляющих тестового сигнала.

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.

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).

Изобретение относится к измерению разборчивости речи и предназначено для оценки защиты объектов от несанкционированной утечки акустической речевой информации (АРИ).

Изобретение относится к виброакустической метрологии. Измерительное устройство содержит средство генерирования вибрации, удерживаемое на голове манекена.

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.

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.

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.

Изобретение относится к области акустики, в частности к средствам адаптации звуковых сигналов. Адаптер содержит первый и второй интерфейсы, усилитель аудиосигнала и контур полного сопротивления.

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.

Изобретение относится к метрологии, в частности к гидроакустическим измерениям. Гидрофон располагают в бассейне на определенном расстоянии от излучателя. Излучатель возбуждают линейно-частотно-модулированным сигналом, частоту которого уменьшают от начального значения до нуля, затем, сохраняя непрерывность фазы сигнала, увеличивают до начальной частоты. Регистрируя мгновенные значения тока излучателя и выходного напряжения гидрофона, определяют комплексную частотную зависимость передаточного импеданса пары излучатель-гидрофон в реверберационном звуковом поле бассейна в интервале частот, симметричном относительно нулевой частоты. Полученную частотную зависимость корректируют на частотную зависимость параметра взаимности. Частотную зависимость ПИ пары излучатель-гидрофон в свободном поле определяют скользящим комплексным взвешенным усреднением скорректированной частотной зависимости. Технический результат – обеспечение возможности калибровки гидрофонов на частотах, меньших половины ширины частотного интервала, и повышение точности калибровки на низких частотах. 5 ил.

Наверх