Разработка методов измерения параметров гидроакустических измерительных систем тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.06, кандидат технических наук Сильвестров, Игорь Станиславович

• Сильвестров, Игорь Станиславович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сильвестров, Игорь Станиславович

1.1. Введение Стр.

1.1.1. Классификация методов градуировки Стр.

1.1.2. Вторичные методы градуировки. Стр.

1.1.3. Факторы, ограничивающие возможность осуществления градуировки гидроакустических измерительных модулей.

1.2. Модель псевдошумового сигнала Стр.

1.3. Математическая модель измерительной системы Стр.

1.4. Оценка расстояния дальней зоны для псевдошумового сигнала Стр.

1.5. Измерение чувствительности гидроакустического измерительного модуля.

1.5.1. Схема проведения измерений Стр.

1.5.2. Результаты измерения чувствительности гидроакустического измерительного модуля

1.6. Выводы Стр.

Глава 2. ' Стр.

2.1. Введение Стр.

2.2. Частотная логарифмическая характеристика гидроакустического преобразователя.

2.3. Частотная логарифмическая характеристика гидроакустического измерительного бассейна.

2.4. Градуировка гидроакустического измерительного преобразователя с использованием непрерывных сигналов.

2.5. Градуировка гидроакустического измерительного преобразователя с использованием непрерывных сигналов в условиях гидроакустического Стр. 46 измерительного бассейна.

2.6. Выводы. Стр.

Глава 3. Стр.

3.1. Введение Стр.

3.1.1. Непрерывные линейные антенны. Стр.

3.1.2. Дискретные линейные антенны Стр.

3.1.3. Существующие методы градуировки линейных антенн Стр.

3.2. Метод градуировки линейных гидроакустических антенн Стр.

Стр.30 Стр.31 Стр.

3.3. Математическое моделирование Стр. 61 3.3.1. Построение диаграмм направленности антенн Стр.

3.4. Выводы Стр.

Глава 4. Стр.

4.1. Введение Стр.

4.2. Обнаружение источников отраженного сигнала, с использованием метода замены измерительной системы набором точечных излучателей

4.3. Обнаружение источников отраженного сигнала, с использованием методов голографии

4.4. Комбинирование методов голографии и замены измерительной системы набором точечных излучателей для обнаружения источников Стр. 80 отраженного сигнала и определения их параметров

4.5. Выводы Стр. 83 Заключение Стр. 84 Список литературы Стр. 95 Приложение 1 Стр.

Стр. 72 Стр.

Вступление

Всем, кто связан с исследованием и использованием глубин океана в военных, промышленных или научных целях, приходится сталкиваться с проблемами локации и связи, весьма отличными от аналогичных проблем в любой другой среде. Водная среда -серьезное препятствие для проникновения в ее толщу и человека и аппаратуры. Она практически непрозрачна для лучей видимой и инфракрасной областей спектра, для излучений радио- и СВЧ-диапазонов - всех тех известных нам видов электромагнитного излучения, которые используются для локации и связи в атмосфере и космическом пространстве. Акустические сигналы являются наиболее эффективным средством передачи информации в воде на расстояния свыше нескольких сотен метров. Поэтому электроакустические преобразователи являются практически единственным средством для приема звука в воде и в большинстве случаев для генерирования в ней управляемых акустических сигналов. К подводным электроакустическим измерениям относятся электрические и акустические измерения, служащие для градуировки, испытаний или оценки гидроакустических преобразователей, а также для обеспечения непосредственного излучения, обнаружения и измерения акустических сигналов в воде, выражаемых обычно в единицах звукового давления.

Потребность в подводных электроакустических измерениях возникла в основном в связи с развитием гидроакустических средств военного назначения для навигации, локации, связи, которые в первую очередь дали толчок для разработки таких методов измерений. Определенную роль сыграло и использование звука в жидких средах для ультразвуковой терапии, ультразвуковых методов очистки, линий задержки, измерителей потока жидкости.

История развития методов и техники градуировки подводных электроакустических преобразователей начинается примерно в 1941 г. До того времени интерес к этой области техники был весьма ограниченным, и развивалась она слабо. Некоторые ученые проводили эксперименты по разработке методов измерения звукового давления в жидкостях, однако эти методы были весьма сложными, и их практическое применение редко выходило за рамки лабораторных работ. Были разработаны методы градуировки микрофонов в воздухе, но они не позволяли производить подводные измерения, и ограничивались диапазоном частот, лежащим в области слышимых звуков.

Широкое использование подводного флота в ходе военных действий в период Второй мировой войны и, как следствие, необходимость обеспечения обнаружения противника как под водой, так и над водой, привело к существенному увеличению интереса к данной области наук. Именно в этот период были разработаны и осуществлены на практике многие методы градуировки гидроакустических преобразователей. После окончания военных действий количество исследований в данной области существенно уменьшилось. Исследования и разработка методов градуировки преобразователей и систем были возобновлены в начале 50-х годов в основном в лабораториях, связанных с ВМФ. Возрастающий в последние годы интерес к океанографии и морским наукам еще более усилил значение подводной акустики и электроакустики в научных исследованиях и при решении практических задач. Прогресс в области гидроакустических измерений и повышение требований к точности измерений в последнее десятилетие, а также изменение законодательства в области метрологического обеспечения привели к необходимости существенной модернизации метрологического обеспечения в области гидроакустических измерений. Однако следует заметить, что во многих случаях совершенствование средств измерения параметров гидроакустических систем не подразумевает использования каких-либо новых подходов или методов, а заключается в реализации использовавшихся ранее методов новыми техническими средствами. В тоже время, становится очевидно, что для решения ряда задач такой подход успеха не принесет.

На сегодняшний день можно выделить следующие основные направления развития в области градуировки гидроакустических измерительных систем: измерение частотной характеристики чувствительности на «непрерывной» сетке частот; использование сигналов со сложным спектром (ЛЧМ, случайных и детерминированных полосовых процессов); измерение частотной характеристики в полосе частот (1/3 октава и др.); измерение частотной характеристики крупногабаритных измерительных гидроакустических модулей в условиях лабораторных гидроакустических бассейнов; измерение влияния конструкций гидроакустических модулей и элементов крепления на чувствительность измерительных гидрофонов; измерение чувствительности и диаграммы направленности протяженных гидроакустических антенн и цепочек гидрофонов; расширение частотного диапазона (до 10 кГц) передачи единицы приемникам колебательной скорости; реконструкция диаграммы направленности и чувствительности крупногабаритных приемных и излучающих систем по измерениям в ближней и переходной зоне.

Однако, использование распространенных на сегодняшний день методов и подходов не достаточно для решения многих из этих задач, особенно в области определения параметров измерительных гидроакустических систем. Рассмотрим ряд таких задач.

Первой из рассматриваемых является задача измерения частотных характеристик измерительных гидроакустических модулей. Её суть состоит в следующем. Для проведения достоверных измерений параметров гидроакустического поля с помощью измерительного модуля, содержащего не только первичный гидроакустический преобразователь (гидрофон), но и различные элементы конструкции, необходима информация не только о характеристиках гидрофона, но и модуля в целом. Однако возможность обеспечения проведения измерений данных характеристик ограничивается следующими факторами:

1. Согласно определению, коэффициент преобразования (чувствительность) и диаграмма направленности приемных и излучающих систем, преобразователей и гидрофонов определяется в дальнем поле (зоне Фраунгофера). Критерий расстояния дальнего поля для гидрофона определяет расстояние, начиная с которого выходное напряжение гидрофона становится обратно пропорциональным расстоянию до излучателя. Для излучателя, критерий расстояния дальнего поля обычно устанавливает расстояние И., начиная с которого давление, создаваемое излучателем, соответствует сферически расходящейся волне, однако, учитывая обратимость характеристик гидрофона в режимах приема и излучения, его можно применять и для гидрофона, используемого в качестве приемника. Одним из критериев дальнего поля является Б соотношение И. > —, где Б - максимальный линейный размер излучателя, а X - длина А. волны, для которой осуществляется градуировка, при погрешности менее 1дБ. Этот же критерий в первом приближении можно отнести и к гидроакустическим измерительным модулям (ГИМ), в которые установлены первичные гидроакустические преобразователи. Учитывая значительные линейные размеры измерительных модулей, расстояние дальнего поля может достигать десятков метров. ^ Такие требования приводят к тому, что их выполнение на практике в лабораторных измерительных бассейнах во многих случаях нереализуемо. Выполнение градуировки в натурных условиях также связано с существенными трудностями. В связи с описанными выше трудностями, градуировка ГИМ во многих случаях не проводится. Расхождение между чувствительностями первичного преобразователя и измерительного модуля рассматривается как погрешность измерения чувствительности модуля. Однако в связи с тем, что элементы обтекателя, а так же другие элементы конструкции, входящие в состав модуля, могут оказывать заметное влияние на его чувствительность, расхождение может быть весьма значительным. В связи с этим, возникает необходимость в проведении исследования измерительного модуля в целом для оценки его характеристик и обнаружения расхождений между характеристиками первичного преобразователя и характеристиками модуля. 2. По своему прямому назначению, во многих случаях ГИМ используется при измерениях шумовых сигналов в 1/3 октавном ряде частот, и характеристики наиболее правильно было бы измерять на сигналах, приближенных к реальным сигналам, а не на гармонических сигналах.

Таким образом, несмотря на актуальность данной задачи, её решение существующими на сегодняшний день средствами существенно затруднено, а в ряде случаев - практически невозможно.

Второй рассматриваемой задачей является снижение нижней граничной частоты градуировки гидроакустических измерительных преобразователей (гидрофонов) в лабораторных измерительных бассейнах. На сегодняшний день градуировка гидрофонов в гидроакустических бассейнах обычно проводится с использованием радиоимпульсного сигнала, т.к. использование звукопоглощающих покрытий не обеспечивает требуемых коэффициентов отражения особенно в диапазоне частот ниже 10 кГц. Радиоимпульсный режим работы, однако, имеет ряд недостатков, основным из которых является наличие переходного процесса и, как следствие, необходимость существования в радиоимпульсе не менее 3-10 периодов несущей частоты, что существенно ограничивает нижнюю частоту градуировки в гидроакустическом бассейне и снижает соотношение сигнал/помеха при измерениях. Например, для гидроакустического измерительного бассейна, имеющего линейные размеры 6x6x6 м, нижняя частота градуировки гидроакустического преобразователя с использованием радиоимпульсных сигналов ограничена частотой в несколько килогерц. В связи с этим, разработка метода уменьшения нижней частоты градуировки, позволившего бы проводить измерения характеристик гидроакустического преобразователя в лабораторных измерительных бассейнах для более широкого диапазона частот, является на сегодняшний день одной из актуальных задач в области гидроакустики.

Третьей задачей является разработка метода градуировки линейных протяженных гидроакустических антенн. В ряде случаев, например при проведении измерений на низких частотах (сотни герц), использование одиночных гидрофонов не позволяет осуществлять эффективное решение поставленных задач. Построение антенных систем, включающих несколько преобразователей, является одним из способов решения данной проблемы. На сегодняшний день, помимо антенн, состоящих из небольшого числа элементов, значительное распространение в гидроакустике получили линейные протяженные антенны. Однако при осуществлении градуировки таких антенн существующими методами возникает ряд существенных осложнений. Методы взаимности и замещения могут быть применены только к антеннам, имеющим незначительную длину. Для линейных антенн, обладающих значительной протяженностью могут применяться два основных метода градуировки. Первый метод - это градуировка подобной антенны в свободном поле. Однако этот метод связан с существенными трудностями по обеспечению выполнения условий свободного поля для антенн, имеющих значительную длину, а так как длина антенн продолжает увеличиваться, то осуществление на практике градуировки линейных антенн этим методом становится все более сложным. Другой метод градуировки линейных антенн заключается в размещении градуируемой линейной антенны в трубе, в которой с помощью набора излучателей создается бегущая волна. Однако при реализации этого метода возникает ряд трудностей, связанных как с необходимостью одновременного возбуждения всех излучателей с соответствующими фазами и амплитудами, так и с необходимостью контроля существования бегущей волны в трубе.

Четвертой задачей является оценка степени влияния дополнительных источников отраженного сигнала, связанных с элементами конструкции гидроакустического преобразователя, на его чувствительность и диаграмму направленности. При осуществлении измерений гидроакустический преобразователь функционирует не сам по себе, а используется в составе более сложной измерительной системы. Необходимость обеспечения передачи данных от преобразователя к устройствам обработки информации, а также другие факторы, связанные с функционированием преобразователя в сложной системе и защитой от внешних воздействий, приводят к необходимости введения в его конструкцию дополнительных элементов, таких как обтекатели, устройства крепежа и т.д. Появление таких элементов может приводить к ситуации, когда характеристики преобразователя и характеристики системы в целом становятся различными. В ряде случаев, этими расхождениями можно пренебречь, однако в случаях, когда расхождения являются значительными, возникает задача обнаружения источников отраженного сигнала и оценки их степени влияния на характеристики измерительного преобразователя.

В соответствии с изложенным выше кругом задач на защиту выносятся следующие положения:

1. Метод градуировки гидроакустических измерительных модулей в измерительных лабораторных бассейнах, основанный на использовании псевдошумового сигнала.

2. Метод градуировки гидроакустических измерительных преобразователей с использованием непрерывных сигналов, основанный на разделении спектров передаточной функции бассейна и частотной характеристики преобразователя, позволяющий существенно уменьшить нижнюю частоту градуировки по сравнению с результатами, получаемыми при использовании радиоимпульсных сигналов, и увеличить соотношение сигнал/помеха при измерениях.

3. Метод градуировки линейных протяженных гидроакустических антенн, основанный на использовании реакции антенны на распределения давления, создаваемые каждым из излучателей, размещенных в измерительной трубе, по отдельности, позволяющий избежать возникновения проблем, связанных с созданием и контролем существования в трубе бегущей волны.

4. Алгоритм обнаружения источников отраженного сигнала и определения степени их влияния на характеристики измерительной системы с использованием методов голографии и методов решения задачи оптимизации, позволяющий оценить степень влияния элементов конструкции на чувствительность и диаграмму направленности гидроакустической измерительной системы

Глава

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов измерения параметров гидроакустических измерительных систем»

Для проведения достоверных измерений параметров гидроакустического (г/а) поля с помощью измерительного модуля, содержащего первичный гидроакустический преобразователь (гидрофон), необходима информация не только о характеристиках гидрофона, но и модуля в целом. Однако получение такой информации используемыми на сегодняшний день методами во многих случаях практически невозможно.

1.1.1. Классификация методов градуировки

Существует достаточно большое количество методов градуировки гидроакустических преобразователей. Рассмотрим некоторые из них.

Методы градуировки преобразователей, для которых не требуется образцовый преобразователь с известной чувствительностью, называются первичными [1,4]. В первичном методе могут измеряться следующие основные величины: напряжение, сила тока, электрический и акустический импедансы, длина, масса (или плотность) среды и время (или частота). На практике обычно не измеряют непосредственно значения плотности, скорости звука, модулей упругости, а берут эти величины из справочника. Примером первичного метода градуировки является движение одиночного гидрофона, погруженного в воду, вдоль вертикальной оси. При этом определяется изменение напряжения на выходе гидрофона относительно изменения давления, действующего на гидрофон, и определяется его коэффициент преобразования.

К вторичным методам [1,4] относятся те методы, в которых в качестве образцового используется преобразователь (обычно гидрофон), отградуированный первичным методом. Примером вторичного метода является градуировка гидрофона путем сравнения с образцовым. Поскольку при первичной градуировке допускается применение калиброванных вольтметров, генераторов и т. д., но не допускается применение отградуированного гидрофона, то разделение методов на первичные и вторичные довольно условно; тем не менее, в гидроакустике такое деление существует.

Методы взаимности основываются на том, что один из преобразователей является взаимным и для него отношение чувствительности в режиме приема М к чувствительности в режиме излучения Б равно постоянной величине ], называемой параметром взаимности. Параметр взаимности зависит от свойств акустической среды, частоты и граничных условий [2].

Заключение диссертации по теме «Акустические приборы и системы», Сильвестров, Игорь Станиславович

4.5. Выводы

Предлагаемый алгоритм обнаружения как координат источников отраженных волн, так и степени их влияния на характеристики системы, позволяет во многих случаях решить задачу внесения изменений в структуру сложной измерительной системы. Этот подход может быть применен не только к гидрофонам или измерительным модулям, но и к более крупным объектам измерений в случае, если они включают один или несколько дополнительных когерентных источников сигнала.

Заключение

В последние годы внедрение последних достижений научно - технического прогресса в область гидроакустических измерений и повышение требований к точности проводимых измерений привело к появлению необходимости в увеличении точности определения характеристик средств гидроакустических измерений. Однако во многих случаях применение существующих на сегодняшний день методов и подходов не позволяет обеспечить необходимый уровень точности в связи с ограничениями, лежащими в основе используемых методов. Именно этим фактом обусловлена необходимость в разработке новых подходов к измерению параметров гидроакустических систем, которые позволяли бы находить решение для тех задач, разрешение которых современными методами существенно затруднено или практически невозможно. В представленной диссертационной работе рассматриваются несколько таких задач.

Первой из рассмотренных задач является измерение частотной характеристики измерительных гидроакустических модулей, включающих в себя первичный преобразователь и ряд элементов конструкции, имеющих значительные линейные размеры, в условиях лабораторных гидроакустических бассейнов. Возможность осуществления градуировки гидроакустических измерительных модулей в условиях лабораторных бассейнов ограничивается необходимостью выполнения условий дальнего поля. Критерий дальнего поля устанавливает расстояние, начиная с которого выходное напряжение модуля становится обратно пропорционально расстоянию между модулем и излучателем, являющимся источником падающей на модуль волны. Например, расстояние дальнего поля для модуля, имеющего максимальный линейный размер 1м, в первом приближении будет составлять от 6.7м до 67м для частот от ЮкГц до 100 кГц. Создание бассейнов, в которых была бы возможна градуировка таких модулей на практике в большинстве случаев невозможно. Кроме того, часто гидроакустический измерительный модуль используется при измерениях шумовых сигналов в 1/3 октавной полосе частот, и характеристики наиболее правильно было бы измерять на сигналах, приближенных к реальным сигналам. Предложенный метод градуировки заключается в использовании псевдошумового сигнала, представляющего собой сумму гармонических сигналов, распределенных равномерно в 1/3-октавном диапазоне, имеющих случайные фазы N

Р(1) = РоХсоз(2яГк1 + ук). Использование этого псевдошумового сигнала при к=1 проведении градуировки имеет следующие достоинства. Во-первых, это приводит к существенному уменьшению расстояния дальнего поля, и, как следствие, возможности осуществления градуировки в лабораторных бассейнах относительно небольшого размера. Уменьшение расстояния дальнего поля обусловлено тем, что если дистанция между первичным преобразователем и источниками отраженного сигнала, связанными с элементами корпуса модуля, больше, чем 3-5 длин волн, то сложение прямого сигнала и отраженных сигналов сводится в основном к энергетическому суммированию. Это является следствием близости корреляционной функции прямого и отраженного сигналов, при использовании достаточного количества частот в наборе, к корреляционной функции белого шума в 1/3 октавной полосе частот, которая при указанных условиях будет близка к нулю. Во-вторых, предлагаемая модель псевдошумового сигнала позволяет заменить вычисление чувствительности гидроакустического модуля с использованием суммарного псевдошумового сигнала вычислением коэффициентов преобразования модуля Ак для каждой из частот по отдельности даже в случае, если для этих частот модуль находится в ближней зоне относительно излучателя. Коэффициенты Ак в этом случае не будут являться чувствительностью модуля для частоты Гк. Чувствительность модуля в этом

11 N случае вычисляется по формуле М =, — X Аг. . Данный подход позволяет использовать стандартный метод градуировки гидрофонов с использованием радиоимпульсных сигналов, что позволяет существенно снизить погрешность измерения чувствительности гидроакустического модуля на псевдошумовом сигнале. В-третьих, применение псевдошумового сигнала позволяет получить характеристики измерительных модулей для сигналов, близких к сигналам, для измерения которых используются гидроакустические модули. Как показали результаты измерений, эти характеристики могут существенно отличаться от результатов, полученных при градуировке с использованием гармонических сигналов. В рамках ОКР, проводимой во ФГУП "ВНИИФТРИ" было проведено измерение чувствительности и диаграммы направленности гидроакустического измерительного модуля. Измерения проводились на установке, смонтированной в лабораторном гидроакустическом бассейне. Результаты представлены на рис 1.

100 ГИМ 96 m j[ ГИ-52 92 ГИМ 88 lq гармонический ^ сигнал 84

80

0 20 40 60 80

Частота,кГц

Рис.1. Частотные характеристика гидрофона ГИ-52, а также гидроакустического измерительного модуля (ГИМ) для псевдошумового и гармонического сигнала при одинаковых условиях градуировки.

Погрешность градуировки не превышала 1.5 дБ и определялась в основном погрешностью выполнения условий дальней зоны и погрешностью градуировки использованного в установке гидрофона сравнения.

Рассмотрение результатов градуировки и измерения диаграммы направленности измерительного модуля показывает:

-расхождение чувствительностей, полученных отдельно для гидрофона и для измерительного модуля в сборе;

-существенное уменьшение неравномерности диаграммы направленности для частот выше 12 кГц по сравнению с оценками, сделанными для гармонического сигнала.

Полученные результаты подтверждают необходимость проведения измерений метрологических характеристик как отдельного гидрофона, так и модуля на псевдошумовых сигналах для получения характеристик, близких к характеристикам модуля в условиях натурных измерений.

Второй из рассмотренных задач является уменьшение нижней частоты градуировки гидроакустических измерительных преобразователей в лабораторных измерительных бассейнах. В настоящее время, при осуществлении градуировки гидроакустических преобразователей в большинстве случаев используются методы, основанные на применении радиоимпульсных сигналов, применение которых существенно ограничивает нижнюю частоту осуществления градуировки в лабораторных бассейнах и уменьшает соотношение сигнал/помеха при измерениях.

Для того чтобы избежать возникновения описанных выше проблем, был разработан метод измерения метрологических характеристик (градуировки) гидроакустических преобразователей с использованием непрерывных сигналов. Пусть M(f) - это частотная характеристика гидроакустического преобразователя, a P(f) - частотная характеристика измерительного бассейна, моделируемая на основании представления бассейна в виде набора точечных источников отраженного сигнала. В этом случае, зависимость P(f) t , - У *•* Ч ; может быть задана следующим образом: P(f) = Pq(F) 1

L е + X m = l jk(f)Rg m, m m где luí

Jk(f)ro k(f) - волновой вектор, k(f) =-, с - скорость звука в воде; Pn(f) =- с и г0 давление, которое создавалось бы в области нахождения гидрофона в отсутствие дополнительных источников отраженного сигнала (в свободном поле), г0 - расстояния между точкой, для которой определяется частотная характеристика и источником прямой волны; Rgm = rm —r0, rm - расстояния, которое проходит отраженная волна до попадания в точку, для которой определяется частотная характеристика; ат - коэффициент отражения; L - количество источников отраженного сигнала.

Анализ логарифмических частотных характеристик гидроакустических преобразователей Ml(f)=201og(M(f)) и логарифмических частотных характеристик измерительных бассейнов Pl(f)=201og(P(f)) показал, что спектры, получаемые при помощи преобразования Фурье для этих характеристик, существенно различаются. Пример спектра SM(n) для гидроакустического преобразователя и Sr(n) - для математической модели измерительного бассейна показан на рис. 2. ico

ДБ

201og(SM(n)) 201og(Sr(n)) я

-я

V ПО -V, ; j;

1 ' .5 .; у.? f ,rt Yt Р ' i ■ i " ' ' !> i У Ч N \ % г ' - Уыь i * . ^ У ' v-'Ov 1 • »1 Í> 1

30

100

130

200

250

300

Номер гармоники

Рис.2. СпектрБ^} (п) логарифмической частотной характеристики гидрофона М1Г(£) и спектр Зр (п) логарифмической частотной характеристики бассейна в месте нахождения гидрофона. Из рис.2 видно, что для значений п < по гармоники спектра Бм(п) превосходят гармоники спектра 8г(п).

Пусть Щф - среднеквадратическое значение выходного напряжения гидроакустического преобразователя при воздействии на него непрерывного сигнала частоты £ Тогда и(0=М(0*Р(0- Для того, чтобы определить значения М(0, используя результат измерения 11(0, необходимо провести нормирование 11(0 относительно давления, которое создавалось бы в области нахождения гидроакустического преобразователя в отсутствие дополнительных источников отраженного сигнала в бассейне. Затем следует прологарифмировать полученную функцию, вычислить для нее спектр с использованием преобразования Фурье, и провести обратное преобразование Фурье, используя только по первых гармоник, для которых гармоники спектра Бм(п) превосходят гармоники спектра 8г(п). Результат использования такого подхода показан на рис.3. Рассматривался диапазон частот 1 - 63488 Гц с шагом частоты 15.5 Гц при определении значений и(0.

Частота 1

Рис.3. Исходная характеристика М1р (Г) и восстановленная по первым По гармоникам характеристика Му(0 .

В случае, когда определение давления, которое создавалось бы в области нахождения гидроакустического преобразователя в отсутствие дополнительных источников отраженного сигнала в бассейне, невозможно или затруднено, можно воспользоваться методами градуировки гидрофонов методами замещения и сравнения. Применение этих методов также позволяет осуществлять градуировку гидроакустических преобразователей с использованием непрерывных сигналов в случаях, когда спектры частотных характеристик гидроакустического преобразователя и лабораторного бассейна близки. Использование в совокупности с предложенным методом градуировки известных подходов, уменьшающих влияние на восстановленную характеристику эффекта Гиббса, позволяет еще более уменьшить нижнюю частоту градуировки. На рис.4 показаны результаты восстановления логарифмической частотной характеристики гидрофона для следующих случаев:

1) можно определить давление в области нахождения гидрофона, которое создается излучателем в отсутствие дополнительных источников отраженного сигнала в бассейне (частотная характеристика М]({));

2) определить давление невозможно, используется метод замещения и метод уменьшения влияния эффекта Гиббса (частотная характеристика Мг(£));.

Рассматривался диапазон частот 100 - 63588 Гц с шагом частоты 15.5 Гц при определении значений 11(0- Частотные характеристики гидроакустического преобразователя и лабораторного бассейна близки.

Дб 45

40

МЩ) вд

М2(0 35 30

100Гц 1кГц МкГц ЮОкГц Частота £

Рис.4. Исходная логарифмическая характеристика гидроакустического преобразователя М1(0 и восстановленные частотные характеристики М|(0, М2(0 для различных модификаций предложенного метода.

Полученные результаты показывают, что использование метода замещения и метода уменьшения влияния эффекта Гиббса позволяют восстанавливать частотную логарифмическую характеристику гидроакустического преобразователя во всем рассматриваемом частотном диапазоне.

Для проверки было проведено как математическое моделирование с использованием теоретических и реальных характеристик гидроакустических преобразователей, так и ряд экспериментов в лабораторном бассейне, подтвердивших правильность рассматриваемого метода. Таким образом, предлагаемый метод градуировки гидроакустических измерительных преобразователей с • использованием непрерывных сигналов позволяет увеличить соотношение сигнал/помеха при измерениях и существенно уменьшить нижнюю частоту градуировки в гидроакустическом бассейне.

Следующей рассмотренной задачей является измерение чувствительности и диаграммы направленности протяженных гидроакустических антенн и цепочек гидрофонов. Градуировка таких антенн в условиях натурных полигонов связана с существенными трудностями. Разрабатываемые и используемые на сегодняшний день методы градуировки линеиных протяженных гидроакустических антенн в измерительных трубах основаны на создании в измерительных трубах падающей на антенну бегущей волны и использовании ее при градуировке, но связаны с существенными сложностями как при создании бегущей волны, так и при контроле её параметров. Предложенный метод градуировки линейных протяженных гидроакустических антенн также предполагает их размещение в трубе, радиус которой 11«А., где А. - это длина волны, для которой осуществляется градуировка. Вдоль трубы напротив друг друга расположены гидроакустические излучатели и приемники. Расстояние между ними гораздо меньше, чем X. Для того, чтобы избежать возникновения проблем, связанных с созданием падающей на антенну бегущей волны е , предлагается использовать следующий подход. При создании в трубе падающей волны, чувствительность антенны вычисляется по формуле I

М = х)ехрНкхх)

-.¡м Однако, волна е может быть представлена как суперпозиция двух стоячих волн е = (созкхх—]Бткхх). Таким образом, воздействуя на антенну двумя стоячими волнами соэк^х и эшк^х, а затем проводя соответствующее суммирование, мы получим такой же результат, какой получили бы, воздействуя на антенну бегущей волной. В тоже время, каждая из стоячих волн соэк^х и зткхх может быть представлена как суперпозиция стоячих волн, создаваемых отдельными излучателями, расположенными внутри трубы. Таким образом, при использовании разработанного метода, для определения чувствительности антенны для соответствующего угла падения волны необходимо выполнить следующие действия:

1. Измерить распределения давления, создаваемые вдоль трубы каждым из излучателей по отдельности.

2. Получить для каждого из излучателей коэффициенты Ак и Вк, при использовании которых каждая из стоячих волн соэкхх и Бтк^х могут быть аппроксимированы стоячими волнами, создаваемыми отдельными излучателями.

3. Измерить напряжения ик на выходе антенны при воздействии на нее давления, создаваемого к-ым излучателем. ик = Ьке

4. Вычислить чувствительность антенны для данного угла в соответствии со следующей формулой: n n

М = Дьк(Ак С05рк -вк 5трк))2 +(Хьк(Вк со5рк +Ак зтРк))г к-1

N - количество излучателей, расположенных в трубе.

Для построения диаграммы направленности необходимо повторить этапы 2 и 4 для каждого утла падения волны. Было проведено математическое моделирование данного метода градуировки. Длина трубы составляла 50 м, радиус трубы значительно меньше ее длины и равен 0.78 м, 64 точечных излучателя и гидрофона располагались диаметрально по длине трубы на расстоянии 0.78 м, первый излучатель находится на расстоянии 0.1 м от торца трубы. Пример диаграммы направленности антенны, включавшей в себя четыре элемента, находящихся на расстоянии равном длине волны Х=12.625м друг от друга и имевших коэффициенты преобразования элементов равные! (В/Па) приведен на рис. 5.

Рис.5. Диаграмма направленности М(у), полученная в результате моделирования, и диаграмма направленности Т(у), полученная в соответствии с теоретическими формулами.

Результаты моделирования для различных вариантов как дискретных, так и непрерывных антенн, подтвердили соответствие получаемых результатов теоретическим данным, приведенным в литературе. Предлагаемый метод градуировки линейных гидроакустических антенн позволяет обеспечить градуировку как существующих, так и разрабатываемых непрерывных и дискретных антенн с погрешностью, определяемой в основном погрешностью измерения распределения давления, создаваемого отдельным излучателем, позволяя при этом избежать трудностей, существующих при градуировке линейных антенн на сегодняшний день.

Последней задачей, рассмотренной в данной работе, является оценка влияния конструкций гидроакустических модулей и элементов крепления на чувствительность измерительных гидрофонов. Конструкция даже простого измерительного гидрофона, не

Отн.

90

270 У входящего в состав более сложного измерительного модуля, также включается в себя различные конструктивные элементы, помимо самого чувствительного элемента. В случае, если чувствительность гидрофона отличается от ожидавшейся при разработке, возникает задача оценки влияния на неё элементов конструкции. Предложенное решение этой задачи состоит в комбинировании голографии и методов решения задачи оптимизации. В начале используются методы голографии. Например, происходит переход от диаграммы направленности 1бЬ(у) (у - угол падения волны на гидрофон) к угловой зависимости Ы^у)2, которая рассматривается как сечение голограммы на сферической поверхности. Опорной волной является волна от первичного преобразователя, а объектной волной - волна от дополнительных источников отраженного сигнала. Известно, что при освещении голограммы объектной или опорной волной восстанавливается другая волна, а также комплексно сопряженная с ней. Таким образом, подсветив голограмму Ы1(у)2 опорной волной, мы получаем возможность обнаружить источники отраженного сигнала. Для того, чтобы при восстановлении источников отраженного сигнала, не складывалась ситуация, когда источник прямой волны не позволяет их увидеть, голограмма 1зЬ(у)2 модифицируется. Например, если она была измерена на окружности, достаточно приравнять нулю нулевую гармонику преобразования Фурье для 1зЬ(у)2 и получить новую зависимость С1(у)2. Подсветив её опорной волной, получаем угловую зависимость в(у) = в^у)2 ехр(П;Сг0). Рассмотрим каждую из точек на окружности, для которой определена функция в(у), как источник точках нахождения источников отраженной волны значащие локальные максимумы.

- это расстояние между ]-м источником и точкой с координатами (ха,уа). Используем полученные данные о координатах источников отраженного сигнала для минимизации функционала У((}к,Рк) с применением методов решения задачи оптимизации. ехр(-Ш1;а) волны с амплитудой С(у)зт(у). Функция имеет в

У(дк,Рк) = 1(1зЬ(у^-Р(у^)2,где

Р(У;)=1-^ехр(-1(К11]1к+Рк)) к=1*Чк

3к и Бк это соответственно коэффициент преобразования и фаза к-го источника.

- это расстояние от точки, где находится соответствующий к-й источник, до точки в которой производятся измерения для соответствующего угла падения волны. № - количество источников.

Полученные результаты позволят во многих случаях оценить как местонахождение источников отраженного сигнала, связанных с элементами конструкции, так и степень влияния этих источников на чувствительность гидрофона. Предложенный алгоритм был проверен с использованием диаграмм направленности для ряда гидрофонов.

Таким образом, в представленной диссертационной работе получены следующие результаты:

1. Разработан метод градуировки гидроакустических измерительных модулей в лабораторных измерительных бассейнах, позволяющий получить характеристики модуля для сигналов, близких к сигналам с равномерной спектральной плотностью в 1/3 октавной полосе частот. Проведены моделирование метода для диапазона частот 2 кГц - 100 кГц, оценка погрешностей, практическая апробация и его внедрение в состав создаваемых эталонных установок в рамках ОКР, выполняемых во ФГУП "ВНИИФТРИ",.

2. Разработан метод градуировки гидроакустических измерительных преобразователей с использованием непрерывных сигналов, позволяющий существенно снизить минимальную частоту, для которой возможно осуществление градуировки в гидроакустических лабораторных измерительных бассейнах, и увеличить соотношение сигнал/помеха при измерениях. Осуществлено его моделирование и апробация для определения метрологических характеристик гидроакустических систем в диапазоне 50040670- Гц с погрешностью не более 1 дБ. Планируется внедрение данного метода при создании эталонных установок в рамках ОКР, проводимых во ФГУП "ВНИИФТРИ".

3. Осуществлена разработка, моделирование и оценка погрешностей для метода градуировки линейных протяженных гидроакустических антенн в измерительной трубе, основанного на использований рбйкции антенны на распределение давления, которое создается отдельным излучателем. Этот"-' подход позволяет избежать возникновения проблем, связанных с разработкой сложной аппаратуры, обеспечивающей создание бегущей волны в измерительной трубе и реализацию методов контроля ее параметров. Моделирование метода осуществлено для трубы, имеющей длину 50 м и диаметр 1.56 м для длин волн от 6 до 30м.

4. Разработан алгоритм обнаружения источников отраженного сигнала и определения степени их влияния на характеристики измерительной системы. Осуществлено его моделирование и практическая апробация с использованием реальных гидрофонов. Совокупность предложенных методов обеспечивает повышение точности и достоверности гидроакустических измерений как на уровне создаваемых эталонов, так и современных и перспективных рабочих средств

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сильвестров, Игорь Станиславович, 2006 год

1. Р. Боббер. Гидроакустические измерения. Мир. М. - 1974.

2. Л.Ф. Лепендин. Акустика. Высшая школа. М. - 1978

3. B.C. Бурдик Анализ гидроакустических систем. Судостроение. Л. - 1988

4. Е. Скучик. Основы акустики. Том 1, Том 2. Мир. М. -1976

5. И. Толстой, К. О. Клей. Акустика океана. Мир. М. - 1969.

6. И. И. Клюкин, А. Б. Колесников. Акустические измерения в судостроении. Судостроение. Л. - 1982.

7. Л. Блинова, А. Е. Колесников, Л. В. Лангано. Акустические измерения. Издательство стандартов. М. - 1982

8. А. М. Тюрин. Теоретическая акустика. Л. - 1971.

9. Р. Дж. Урик. Основы гидроакустики. Судостроение. Л. - 1978.

10. Л. Камп. Подводная акустика. Мир. М. - 1978.

11. Г. М. Свердлин. Прикладная гидроакустика. Судостроение. Л. - 1990.

12. М. Д. Омарышев. Направленность гидроакустических антенн. 1991

13. М.А. Земельман. Метрологические основы технических измерений. Издательство стандартов. М. - 1991.

14. Дмитриевский H.H., Павлов Л.Е., Сильвестров C.B. Применение импедансного метода для определения чувствительности пьезоэлектрических приёмников звука Акустический журнал. 1976. - Т. 221, вып. 3. - С. 357 - 361.

15. Некрасов В.Н., Савостин Ю.М. Гидростенд для градуировки протяженных гидроакустических антенн: Сб. тез. докл. 3 конференции стран СНГ по морской сейсмологии и сейсмометрии. М. - 1993. - С. 76-77

16. Савостин Ю.М. Аналитическое решение задачи моделирования поля плоской волны в узкой протяженной гидрокамере. Проблемы и методы гидроакустических измерений. Сборник трудов. ФГУП "ВНИИФТРИ" М. 2003

17. Савостин Ю.М. Акустическое поле в узкой протяженной гидрокамере при моделировании поля плоской волны. Проблемы и методы гидроакустических измерений. Сборник трудов. ФГУП "ВНИИФТРИ" М. 2003

18. Некрасов В.Н., Савостин Ю.М. Установка для калибровки линейных гидроакустических антенн. Патент РФ на изобретение № 2258326 от 10.08.2005

19. Zalesak J., Rogers P. Directional Line-Hydophone Array Calibratop. US Patent №4468760, Int. CI. H04R29/00, US CI. 367-13,73/1 DV, Aug. 28,1984.

20. Luker L.D., Zalesak J.F., Free-field calibration of long underwater acoustic arrays in a closed chamber, JASA, 90(5), November 1991, pp 2652-2657.

21. Luker L.D., Zalesak J.F., Brown C.K., Scott R.E. Automated digital benchtop calibration system for hydrophone arrays. JASA-April 1983 Vol. 73, Issue 4, PP1212-1216.

22. Эль-Сам X.M.A. Акустическая голография. Глава 1. Судостроение, JI. - 1975.

23. Ю.И.Островский. Элементарная голография. "Материалы второй Всесоюзной школы по голографии", ФТИ, Д., - 1971

24. С.М.Рытов. Физические основы голографии. "Материалы первой Всесоюзной школы по голографии", ФТИ, JL, -1971

25. Антошин В.А., Розенберг В.Я. Современное состояние средств измерений характеристик случайных процессов и полей. Обзорная информация. Серия образцовые и высокоточные методы измерений. М. - 1977. ВНИИФТРИ. ВНИИКИ.

26. Ольшевский В.В., Розенберг В.Я. Проблема оценки адекватности вероятностной модели случайного процесса в статистических измерениях. Материалы 1 Всесоюзной конференции "Теория и практика измерений статистических/вероятностных характеристик". JI. - 1973.

27. Рубичев Н.А. Формирование квазислучайного сигнала с заданным коэффициентом ассиметрии и минимальной полосой частот. Метрология, №3. 1973.

28. Зверев В.А. Принцип акустического обращения волн и голография. Акуст. журн. -2004. Т. 50. - №6. С. 792 - 801.

29. Зверев В.А. Получение изображения акустической антенной через слой неоднородностей. 2004. Т. 50. - №1. С. 62 - 67

30. Зверев В.А. Обращение волнового фронта для снижения влияния многолучевости на результат активной локации. Акуст. журн. 2003. - Т. 49. - №6. С. 814 - 819.

31. Beason, Deebel. Environmentally controlled free-field towed array calibration system. -ASA 123,- 1992.

32. Beason. Comparison of directivity patterns measured in the long line hydrophone calibrator to predicted date. ASA 133, - 1997.

33. Forsythe. Extension of the long-line hydrophone calibrator to higher frequency. ASA 146, -2003.

34. Зверев B.A., Стромков A.A. Выделение сигналов из помех численными методами. -Нижний Новгород: ИПФ РАН. -2001.