СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПЕРЕДАЧИ ГИДРОФОННОГО ТРАКТА В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ И ГИДРОФОННЫЙ ТРАКТ ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF DETERMINING TRANSFER CONSTANT OF HYDROPHONE CHANNEL IN NATURAL CONDITIONS AND HYDROPHONE CHANNEL FOR REALISING SAID METHOD

Изобретение относится к измерительной технике и метрологии в области гидроакустики.
Известен способ того же назначения, заключающийся в подаче на вход гидрофонного тракта (ГТ) тестового сигнала и измерении отклика калибруемого ГТ на тестовый сигнал при отключенном гидрофоне (RU 88236, кл. H04R 1/44, 27.10.2009).
Данный способ принят за прототип в отношении способа определения коэффициента передачи гидрофонного тракта в натурных условиях.
Известен ГТ, содержащий пьезочувствительный элемент (ПЭ), усилитель, блок обработки и регистрации, электрический эквивалент ПЭ и управляемый переключатель, выполненный с возможностью управляемого подключения к входу ПЭ или его электрического эквивалента, выход усилителя соединен кабелем с блоком обработки и регистрации (RU 88236, кл. H04R 1/44, 27.10.2009).
Данный ГТ принят за прототип устройства.
В прототипах способа и устройства при калибровке ГТ в натурных условиях ПЭ ГТ заменяют на его электрический эквивалент - конденсатор по емкости, равной емкости ПЭ гидрофона.
ГТ
Недостатком известных способа и устройства является невозможность определения в натурных условиях амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ГТ или его коэффициента K(f) передачи.
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретений, является получение возможности определения коэффициента передачи ГТ в натурных условиях.
ГТ
Данный технический результат в части способа достигается за счет того, что в известном способе определения коэффициента передачи ГТ в натурных условиях, заключающемся в подаче на вход ГТ тестового сигнала и измерении отклика калибруемого ГТ на тестовый сигнал при ненагруженном ГТ, в качестве тестового сигнала, подаваемого на вход ГТ, используются тепловые шумы Джонсона, при этом коэффициент К(f) передачи ГТ определяется по формуле:
Г
где К(f) - паспортное значение коэффициента передачи ненагруженного гидрофона ГТ на частоте f, Гц;
Г
о
о
S(f, Т) - паспортное значение узкополосного спектра теплового шума Джонсона на выходе ненагруженного гидрофона ГТ, соответствующего температуре Т, К;
ГТ
S(f, Т) - узкополосный спектр теплового шума Джонсона, снимаемого с выхода ГТ, измеренный в натурных условиях при температуре Т, К.
Данный технический результат в качестве устройства достигается за счет того, что в известном ГТ, содержащем ПЭ, усилитель, блок обработки и регистрации, электрический эквивалент ПЭ и управляемый переключатель, выполненный с возможностью управляемого подключения к входу усилителя ПЭ или его электрического эквивалента, выход усилителя соединен кабелем с блоком обработки и регистрации, дополнительно содержится измеритель температуры электрического эквивалента ПЭ, выполненного в виде резистора.
Усилитель может быть выполнен многокаскадным.
Электрический эквивалент может быть выполнен в виде прецизионного резистора.
Электрический эквивалент выполнен в виде резистора номиналом (0,1÷1) МОм.
Изобретения поясняются чертежом, на котором представлена схема ГТ для реализации способа.
H
ГТ содержит ПЭ 1, управляемый переключатель 2 (цепь управления переключателем 2 отдельно не оцифрована) и многокаскадный усилитель 3 (в нашем случае двухкаскадный), состоящий из входного 4 и выходного 5 усилителей. Имеется также электрический эквивалент ПЭ 1, выполненный в виде прецизионного резистора R номиналом (0,1÷1) МОм и блок обработки и регистрации, выполненный в виде анализатора 6 спектра, соединенного с входными схемами ГТ кабелями 7. Импеданс кабелей 7 условно обозначен Z.
Рядом с сопротивлением R установлен датчик 8 температуры.
Способ реализуется следующим образом.
Г
Г
о
о
Перед вводом ГТ в эксплуатацию он подвергается метрологической аттестации, в результате которой определяют паспортное значение коэффициента K (f) передачи ненагруженного гидрофона на частотах f, и паспортное значение узкополосного спектра S (f, Т) теплового шума Джонсона на выходе ненагруженного гидрофона, соответствующего температуре Т, получаемого с сопротивления R.
В процессе эксплуатации ГТ в натурных условиях проводят периодическую калибровку тракта.
Для этого дистанционно переключают ГТ из режима измерения в режим калибровки путем подачи на переключатель 2 управляющего сигнала (УПР).
ГТ
При этом измеряют спектр выходного сигнала S(f, Т) гидрофонного тракта с помощью анализатора 6 спектра и температуру Т резистора R датчиком 8 температуры.
m
R
Выходной сигнал е с резистора R обусловлен тепловым шумом Джонсона, спектральная плотность мощности S которого рассчитывается по известной формуле Найквиста (2):
где К - постоянная Больцмана.
Спектральные уровни шумов Джонсона лежат в диапазоне  для резисторов, величина сопротивления которых R=(0,1÷1,0) МОм, в то время как спектральные уровни собственных шумов гидрофонного тракта как правило НВ не превышают
ГТ
Затем по формуле (1) определяют коэффициент передачи К (f)ГТ в натуральных условиях.
Математическое соотношение (1) получено из следующих соображений.
АЧХ нагруженного тракта будет
H
где A(f) и  - АЧХ выходного усилителя 5 на холостом ходу и под нагрузкой Zсоответственно;
Г
ГТ
К (f) и К (f) - АЧХ гидрофонного тракта на холостом ходу (АЧХ гидрофона из паспорта) и под нагрузкой соответственно.
H
Когда переключатель 2 находится в нижнем положении, узкополосный спектр на выходе усилителя 4 U (f, Т) пропорционален абсолютной температуре Т (следует из формулы 2) и не зависит от нагрузки Z, т.е.
где α(f) - коэффициент, зависящий от значений сопротивления R и коэффициента усиления усилителя 4, стабильных во времени.
Отсюда следует, что
.
Из формул (3) и (5) следует формула (1).
В диапазоне температур от -4°С до +20°С температуру можно не учитывать, т.е. отказаться от измерения температуры. Тогда формула (1) упрощается и имеет вид:
При этом погрешность из-за неучтенной температуры не превосходит 0,36 дБ.