СПОСОБ КАЛИБРОВКИ ГИДРОФОНА ПО ПОЛЮ НА НИЗКИХ ЧАСТОТАХ
METHOD OF CALIBRATION OF THE HYDROPHONE ON THE FIELD AT LOW FREQUENCIES

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.
0
отр
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 Р и Р 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]:
i
i
где n - количество отражений, подлежащих подавлению, τ - запаздывание i-й отраженной волны в точке приема,  - частотный интервал взвешенного усреднения,  - взвешивающая функция, полученная сверткой n единичных прямоугольных окон шириной τ.
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:
и-г
и-о
где  - чувствительность опорного гидрофона, r - расстояние между излучателем и калибруемым гидрофоном, r - 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.