СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ЧАСТОТНОЙ ЗАВИСИМОСТИ ПЕРЕДАТОЧНОГО ИМПЕДАНСА ПАРЫ ИЗЛУЧАТЕЛЬ-ПРИЕМНИК В СВОБОДНОМ ПОЛЕ
METHOD OF MEASURING COMPLEX FREQUENCY DEPENDENCE OF TRANSFER IMPEDANCE OF RADIATOR-RECEIVER PAIR IN FREE FIELD

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для градуировки акустических преобразователей по полю в реверберационном поле, возникающем при непрерывном излучении шума в среде с отражающими границами (реверберационная камера, гидроакустический бассейн).
Термин «градуировка акустического преобразователя по полю» подразумевает определение чувствительности преобразователя на прием/излучение по напряжению/току в свободном поле бегущей звуковой волны [1]. Под свободным звуковым полем понимают звуковое поле в однородной изотропной среде, границы которой оказывают пренебрежимо малое действие на звуковые волны [1]. На практике реализовать такие условия невозможно, поэтому градуировка преобразователя по полю практически всегда осложнена необходимостью борьбы с отражениями.
Известен способ определения передаточного импеданса пары излучатель-приемник по полю в незаглушенном измерительном бассейне [2, 3], в котором прямой сигнал излучателя и сигналы, отраженные граничными поверхностями бассейна, разделяют методом временной селекции. При этом в качестве сигнала излучения используют тонально-импульсный 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 градуировки по полю, большое время измерения подробной частотной характеристики, необходимость когерентного накопления тональных импульсов на приеме для повышения отношения сигнал/шум.
Известен способ определения передаточного импеданса пары излучатель-приемник по полю в условиях непрерывного излучения линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) сигнала с известными параметрами в незаглушенном бассейне с частотным разделением прямого и отраженных сигналов [4].
Второй аналог заключается в расположении в бассейне с отражающими границами излучателя и приемника при известном расстоянии между излучателем и приемником, определении временных задержек сигналов излучателя, отраженных границами, относительно прямого сигнала излучателя, возбуждении излучателя ЛЧМ сигналом с известными параметрами, измерении тока излучателя и выходного напряжения приемника, подавлении в выходном напряжении отраженных сигналов с помощью фильтра промежуточной частоты, полосу пропускания которого настраивают исходя из параметров ЛЧМ сигнала и временных задержек отраженных сигналов, определении частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-приемник в свободном поле по частотным зависимостям тока излучателя и напряжения на выходе фильтра промежуточной частоты.
Этот аналог называют методом спектрометрии временных задержек (СВЗ). Недостатками СВЗ являются большие погрешности определения частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-приемник по полю, обусловленные недостаточным подавлением отраженных сигналов и искажениями искомой частотной зависимости усреднением по частоте в фильтре промежуточной частоты.
За прототип принят способ аналогичного назначения [5]. Прототип заключается в расположении в среде с отражающими границами пары излучатель-приемник при известном расстоянии между излучателем и приемником, определении временных задержек сигналов излучателя, отраженных границами среды, относительно прямого сигнала излучателя, возбуждении излучателя сигналом с распределенной в полосе частот мощностью, измерении выходного напряжения приемника и тока излучателя, определении комплексной частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-приемник в среде с отражающими границами, определении комплексной частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-приемник по полю скользящим комплексным взвешенным усреднением (СКВУ) комплексной частотной зависимости передаточного импеданса в реверберационном поле среды с отражающими границами с использованием взвешивающей функции, которую получают исходя из значений временных задержек отраженных сигналов.
В качестве сигнала с распределенной в полосе частот мощностью в прототипе применяют линейно-частотно-модулированный (ЛЧМ) сигнал. Это приводит к следующим недостаткам прототипа.
Использование ЛЧМ сигнала не исключает влияние переходного процесса, вследствие чего увеличивается погрешность определения передаточного импеданса пары излучатель-приемник по полю. ЛЧМ сигнал не применяют при испытаниях резонансных преобразователей. Точность результата измерений в большой степени зависит от параметров ЛЧМ сигнала. Из-за разности времен прихода в точку приема прямого и отраженного ЛЧМ сигналов их мгновенные частоты никогда не совпадают. Это свойство ЛЧМ сигнала, полезное для метода СВЗ, вызывает погрешности при обработке СКВУ.
1) Погрешность вследствие нестационарности влияния отражений
Различие мгновенных частот прямого и отраженных ЛЧМ сигналов обуславливает нестационарность искажений экспериментальной частотной зависимости отражениями.
2) Погрешность вследствие несовпадения амплитудной модуляции прямой и отраженной волн
Из-за разницы времен прихода прямой и отраженной ЛЧМ волн отраженный сигнал оказывается промодулированным по амплитуде не по закону модуляции прямой волны. Несовпадение амплитудной модуляции прямой и отраженной волн снижает эффективность редактирования экспериментальной частотной зависимости [6].
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является повышение точности определения передаточного импеданса излучатель-приемник по полю за счет устранения перечисленных выше недостатков.
Данный технический результат достигают за счет того, что в известном способе, заключающемся в расположении в среде с отражающими границами пары излучатель-приемник при известном расстоянии между излучателем и приемником, определении временных задержек сигналов излучателя, отраженных границами среды, относительно прямого сигнала излучателя, возбуждении излучателя сигналом с распределенной в полосе частот мощностью, измерении выходного напряжения приемника и тока излучателя, определении частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-приемник в среде с отражающими границами, определении частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-приемник по полю скользящим комплексным взвешенным усреднением в установленном частотном окне полученной комплексной частотной зависимости передаточного импеданса в реверберационном поле среды с отражающими границами с использованием взвешивающей функции, которую получают исходя из значений временных задержек отраженных сигналов, в качестве сигнала с распределенной в полосе частот мощностью для возбуждения излучателя используют шумовой сигнал, ширину полосы частот которого определяют исходя из значений временных задержек отраженных сигналов, при этом измеряют спектр мощности тока излучателя и взаимный спектр тока излучателя и выходного напряжения приемника, а комплексную частотную зависимость передаточного импеданса пары излучатель-приемник в реверберационном поле среды с отражающими границами определяют как отношение взаимного спектра к спектру мощности.
Изобретение поясняется чертежом, где представлена схема реализации способа и изображены:
ПК - персональный компьютер, выполняющий функции генерации шума и обработки сигналов и дооснащенный для этих целей:
ЦАП-преобразователем цифра - аналоговый сигнал,
АЦП-преобразователем аналоговый сигнал - цифра,
СПО-специализированным программным обеспечением, включающим в себя программные модули:
1 - формирование случайной числовой последовательности с заданным спектром,
2 - прямое и обратное преобразования Фурье,
3 - вычисление спектра мощности и взаимного спектра, включая функцию накопления,
4 - вычисление отношения спектров,
5 - скользящее комплексное взвешенное усреднение частотной зависимости;
УМ - усилитель мощности;
ВУ - входной усилитель;
R - калиброванное сопротивление в цепи излучателя для измерения тока;
И - излучатель;
П - приемник.
0
0
Существо способа получения частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель-приемник по полю в диапазоне частот [f-Δf/2, f+Δf/2] с применением обработки методом СКВУ при излучении акустического шума заключается в следующем.
Пару излучатель-приемник располагают в измерительном бассейне при известном расстоянии между излучателем И и приемником П.
wa
1
2
n
wa
1
2
n
Определяют частотный интервал усреднения Δf. Для этого возбуждают излучатель коротким импульсом, принимают прямой сигнал излучателя и сигналы, отраженные границами бассейна, определяют временные задержки τ, τ, …, τ первых значимых отражений относительно прямого сигнала излучателя. По полученным временным задержкам определяют частотный интервал скользящего комплексного взвешенного усреднения Δf=1/τ+1/τ+…+1/τ (обычно n не превышает трех) [7, 8].
0i
0
wa
0
wa
Формируют сигнал излучения. Для этого с помощью генератора случайных чисел формируют случайные числовые последовательности x(t) с равномерным спектром в полосе частот [f-(Δf-Δf)/2, f+(Δf+Δf)/2] [7, 8]. Случайные числовые последовательности с заданной формой спектра получают, например, по формуле:
i
w
0i
-1
x(t)=ℑ{V(f)·ℑ{x(t)}},
w
0
wa
0
wa
-1
где V(f) - взвешивающая функция, задающая форму спектра в полосе частот [f-(Δf-Δf)/2, f+(Δf+Δf)/2], ℑ{…} и ℑ{…} означают, соответственно, прямое и обратное преобразование Фурье.
i
Излучают акустический шумовой сигнал. Для этого случайные числовые последовательности x(t) подают на ЦАП и получают аналоговые шумовые сигналы излучения . Усиленными шумовыми сигналами  возбуждают излучатель И, создавая, таким образом, в измерительном бассейне реверберационное поле шумовой акустической волны.
i
i
i
i
i
i
i
i
Формируют сигналы на приеме. Для каждого шумового сигнала  ток  через резистор R и выходное напряжение приемника  усиливают и преобразуют в цифровые случайные последовательности тока излучателя i(t) и выходного напряжения приемника u(t). Вычисляют текущие спектры напряжения U(f)=ℑ{u(t)} и тока I(f)=ℑ{i(t)}, спектры мощности тока  и взаимные спектры тока и напряжения . Текущие спектры накапливают и получают спектр мощности тока излучателя II(f)=<II(f)> и взаимный спектр тока излучателя и выходного напряжения приемника UI(f)=<UI(f)> (<…> - обозначает операцию накопления спектров).
Комплексную частотную зависимость передаточного импеданса пары излучатель-приемник в реверберационном поле  получают как отношение взаимного спектра к спектру мощности:
.
PH
wa
0
0
wa
0
wa
0
wa
Комплексную частотную зависимость передаточного импеданса пары излучатель-приемник по полю Z(f, Δf) в частотном диапазоне [f-Δf/2, f+Δf/2] получают скользящим комплексным взвешенным усреднением (СКВУ) в интервале частот Δf частотной зависимости  в частотном диапазоне [f-(Δf-Δf)/2, f+(Δf+Δf)/2]:
СКВУ
где W(f) - взвешивающая функция, полученная сверткой прямоугольных функций с основаниями шириной  [6, 7].
ref
ref
i
Упрощенно суть метода СКВУ можно представить следующим образом. Искажения частотной зависимости, вызванные отражением, запаздывающим в точке приема относительно прямого сигнала излучателя на время τ, устраняют скользящим усреднением зависимости в частотном интервале шириной 1/τ. Если отражений несколько, для каждого подавляемого отражения с номером i используют свой интервал усреднения . Влияние отражений устраняют последовательными скользящими усреднениями в частотных интервалах Δf, соответствующих запаздываниям отражений, либо одним взвешенным скользящим усреднением в частотном окне  по формуле (1).
Таким образом устраняются недостатки прототипа, повышается точность определения передаточного импеданса излучатель-приемник по полю и достигается поставленный технический результат.
Литература
1. International standard IEC 50 (801), International Electrotechnical Vocabulary. Chapter 801: Acoustics and electroacoustics, (Международный электротехнический словарь. Глава 801: Акустика и электроакустика, 1994-07).
2. Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения. / Пер. с англ. под ред. А.Н. Голенкова. - М.: Мир. - 1974., CEI/IEC 60565:2006.
3. Underwater acoustics - hydrophones - calibration in the frequency range 0.01 Hz to 1 MHz. International Electrotechnical Commission. Geneva. Switzerland. - 2006.
4. Peder С. Pedersen, Peter A. Lewin, Leif Bjørnø, Application of time-delay spectrometry for calibration of ultrasonic transducers / IEEE transaction on ultrasonics, ferroelectric and frequency control. - March, 1988. - Vol. 35, №2. - P. 185-205.
5. Патент РФ №2390968 С2. Кл. H04R 29/00, опубликован 27.05.2010 в БИ №15, принят за прототип.
6. Исаев А.Е., Матвеев А.Н., Некрич Г.С., Поликарпов A.M. Комплексная градуировка приемника градиента давления с использованием процедуры метода взаимности // Акустический журнал. 2014. Т. 60. №1. С. 48-55
7. 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.
8. Исаев А.Е. Точная градуировка приемников звукового давления в водной среде в условиях свободного поля. - Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ». 2008. 369 с.