СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАЗОВОГО УГЛА КОМПЛЕКСНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ГИДРОФОНА МЕТОДОМ ВЗАИМНОСТИ
METHOD OF DETERMINING PHASE ANGLE OF COMPLEX SENSITIVITY OF HYDROPHONE BY RECIPROCITY METHOD

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.
При определении фазового угла чувствительности Г методом взаимности неизбежно возникает задача точного измерения расстояний между Г, обратимым преобразователем (ОП) и излучателем (И). Задача возникает из-за того, что Г, ОП и И представляют собой физические тела определенных размеров и формы, а не геометрические точки. С другой стороны, градуировка методом взаимности предполагает обязательное ориентирование градуируемого Г опорным направлением на ОП и И, что требует разворота Г на 180°. Чтобы обеспечить точное измерение фазового угла Г необходимо, чтобы Г не смещался относительно исходного положения при вращении (переориентировании). Такое смещение может вызвать малая прецессия в механизме поворота (влияние которой "усиливает" протяженная штанга позиционирования Г), либо кривизна штанги, или любое смещение оси Г относительно оси вращения, возникающее при установке Г на штангу системы позиционирования.
Известен способ того же назначения, принятый за прототип [1], заключающийся в том, что Г, ОП и И располагают на одной прямой в измерительном бассейне, оборудованном прецизионной системой перемещения Г, ОП и И, оптическим окном и системой юстировки положения Г на основе лазера. Г размещают между И и ОП и ориентируют опорным направлением на ОП.
ОП-Г
Лазер устанавливают так, чтобы его луч коснулся ближайшей к ОП кромки Г. Формируют тонально-импульсный сигнал излучения заданной частоты, которым возбуждают ОП. Облучают Г сигналом ОП, принимают Г сигнал ОП и выполняют действия метода взаимности, в результате которых получают фазовый сдвиг φ сигнала ОП, принятого Г, относительно тока через ОП. Затем поворачивают Г на 180° и ориентируют его опорным направлением на И. Чтобы избежать смещения Г вследствие его переориентирования, после разворота Г с помощью системы позиционирования перемещают вдоль прямой ОП-И до тех пор, когда луч лазера вновь коснется ближайшей к ОП кромки Г.
Г
Таким образом, в прототипе фазовый угол чувствительности φ измеряют для геометрического, а не акустического центра Г. Это приводит к погрешностям измерений фазового угла чувствительности Г в случаях несовпадения акустического и геометрического центров Г.
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является устранение отмеченного недостатка прототипа, т.е. повышение точности определения фазового угла комплексной чувствительности Г.
ОП-Г
Данный технический результат достигают за счет того, что в известном способе определения фазового угла комплексной чувствительности гидрофона методом взаимности, заключающемся в том, что в измерительном бассейне на одной прямой располагают гидрофон, излучатель и обратимый преобразователь, при этом гидрофон размещают между излучателем и обратимым преобразователем и ориентируют на обратимый преобразователь, формируют тонально-импульсный сигнал излучения заданной частоты, которым возбуждают обратимый преобразователь, облучают гидрофон сигналом обратимого преобразователя, принимают гидрофоном сигнал обратимого преобразователя и измеряют фазовый сдвиг φ принятого гидрофоном сигнала, относительно тока через обратимый преобразователь, затем поворачивают гидрофон вокруг его оси на 180° и ориентируют гидрофон на излучатель, повторно возбуждают обратимый преобразователь, облучают гидрофон сигналом обратимого преобразователя, принимают гидрофоном сигнал обратимого преобразователя, определяют изменение временной задержки Δt сигналов обратимого преобразователя, принятых гидрофоном до и после поворота на 180° вследствие изменения направления приема гидрофона с исходного на противоположное, и вычисляют набег фазы Δφ, соответствующий измеренной временной задержке на частоте эксперимента по формуле
<mrow><mi>Δ</mi><mi>φ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ω</mi><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>,</mo></mrow>
И-Г,ОП
Г
где ω - круговая частота сигнала излучения, затем возбуждают излучатель сигналом излучения, облучают сигналом излучателя гидрофон и принимают гидрофоном сигнал излучателя, после чего выводят гидрофон из зоны облучения, облучают сигналом излучателя обратимый преобразователь, принимают сигнал излучателя обратимым преобразователем и определяют фазовый сдвиг φ сигнала излучателя, принятого гидрофоном, относительно сигнала излучателя, принятого обратимым преобразователем, при этом фазовый угол φ комплексной чувствительности гидрофона определяют из математического соотношения
<mrow><msub><mi>φ</mi><mi>Г</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>О</mi><mi>П</mi><mo>−</mo><mi>Г</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>И</mi><mo>−</mo><mi>Г</mi><mo>,</mo><mi>О</mi><mi>П</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac bevelled="true"><mi>π</mi><mn>4</mn></mfrac><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>φ</mi><mo>.</mo></mrow>
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема эксперимента по определению фазового угла комплексной чувствительности Г методом взаимности.
Существо способа заключается в том, что в измерительном бассейне (на чертеже не показан) на одной прямой располагают Г, ОП и И. При этом Г размещают между ОП и И и ориентируют опорным направлением на ОП.
Формируют тонально-импульсный сигнал излучения заданной частоты, с помощью которого возбуждают ОП и облучают Г сигналами ОП.
ОП-Г
Сигнал ОП принимают Г и измеряют фазовый сдвиг φ принятого сигнала относительно тока через ОП.
Затем Г поворачивают вокруг его оси на 180° и ориентируют Г опорным направлением на И. На чертеже указанный поворот изображен стрелкой.
Вновь возбуждают ОП сигналом излучения, облучают Г сигналом ОП и принимают Г сигнал ОП. Определяют изменение временной задержки Δt сигналов ОП, принятых Г до и после поворота на 180°, вследствие изменения направления приема Г с исходного на противоположное.
Вычисляют набег фазы Δφ, соответствующий измеренной временной задержке на частоте эксперимента по формуле
<mrow><mi>Δ</mi><mi>φ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ω</mi><mi>Δ</mi><mi>t</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>,</mo></mrow>
где ω - круговая частота сигнала излучения.
Возбуждают И сигналом излучения, облучают Г сигналом И и принимают Г сигнал И.
Выводят Г из зоны облучения, облучают ОП сигналом И и принимают ОП сигнал И.
И-Г,ОП
Определяют фазовый сдвиг φ сигнала И, принятого Г, относительно сигнала И, принятого ОП.
Г
Фазовый угол φ комплексной чувствительности Г определяют из математического соотношения
<mrow><msub><mi>φ</mi><mi>Г</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>О</mi><mi>П</mi><mo>−</mo><mi>Г</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mrow><mi>И</mi><mo>−</mo><mi>Г</mi><mo>,</mo><mi>О</mi><mi>П</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mfrac bevelled="true"><mi>π</mi><mn>4</mn></mfrac><mo>+</mo><mi>Δ</mi><mi>φ</mi><mo>.</mo></mrow>
Определенный подобным способом фазовый угол не будет содержать погрешности, обусловленной несовпадением геометрического и акустического центров Г. Этим достигается поставленный технический результат.
Литература
1. Hayman G., Robinson S. Phase calibration of hydrophones by the free-field reciprocity method / Proc. of the 11th European Conference on Underwater Acoustics // Edinburgh, 2012, p.1437-1444.