УСТРОЙСТВО ДЛЯ САМОГРАДУИРОВКИ АКУСТИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

Полезная модель относится к области акустических измерений и может быть использована для повышения точности абсолютной самоградуировки обратимых электроакустических преобразователей в рабочей полосе частот на основе метода взаимности за счет учета акустической прозрачности отражающей границы, в частности, границы раздела «вода-воздух». Преимущественная область использования - гидроакустика.
Известно устройство для относительной градуировки методом сличения электроакустических преобразователей-излучателей звука и приемников звукового давления (см. Справочник по гидроакустике. - Л. «Судостроение», 1982, с.218-219), содержащее генератор непрерывных колебаний, импульсный модулятор, усилитель мощности, первый измеритель амплитуды, излучающий преобразователь, акустически связанный через среду распространения с двумя приемными преобразователями - образцовым и испытуемым, бассейн, входной коммутатор, предварительный усилитель, полосовой фильтр, временной селектор, второй измеритель амплитуды, регистратор.
.i
i
0(fi)
X(fi)
Устройство работает следующим образом. На электроакустический преобразователь поступает электрический радиоимпульсный сигнал с заданной амплитудой U1 и частотой f=ω/2π (i=1, 2, …, - количество проводимых измерений в его полосе пропускания), который излучается как акустический импульс в среду распространения. Образцовый и градуируемый преобразователи, обладающие чувствительностями по давлению - известной M и неизвестной M соответственно, являются приемниками звукового давления, расположены рядом на акустической оси излучающего преобразователя в его дальней зоне
Д
i
0
Дi
0(fi)
X(fi)
a
т.е. на удалении, большем длины дифракционной расходимости l акустического пучка (D=2 - диаметр излучающего преобразователя, ω - циклическая частота i-го возбуждающего сигнала, c - равновесное значение скорости звука в среде). Необходимость выполнения условия (1) определяется тем, что поле излучения источника формируется в результате интерференции волновых процессов, приходящих в место расположения образцового и градуируемого преобразователей от различных участков колеблющейся поверхности излучателя, причем, в ближней прожекторной зоне (зоне Френеля) протяженностью l при равномерном (поршневом) амплитудном распределении поперек апертуры уровень звукового давления на акустической оси излучателя флюктуирует между минимальным и максимальным значениями (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986. - с.92-93.). Образцовый и градуируемый преобразователи преобразуют достигший их акустический импульс в электрические сигналы с амплитудами U и U, которые после стробирования, фильтрации и усиления фиксируются вторым измерителем амплитуды и регистратором. Это позволит исследователю для необходимых спектральных составляющих (fi) частотного диапазона измерений рассчитать значения:
1) чувствительности по давлению в режиме приема для градуируемого преобразователя
2) чувствительности преобразователя в режиме излучения
(fi)
0(fi)
0(fi)
где P=U/M - величины звукового давления в точке приема, измеренные образцовым приемным преобразователем.
Данное устройство имеет недостатки и ограничения в применении:
1) для проведения измерений необходим образцовый приемный преобразователь, причем, точность измерений ограничивается погрешностью выполнения градуировки образцового преобразователя;
2) чувствительность по давлению в режиме приема образцового преобразователя является нестабильной во времени, что требует осуществления его поверки с помощью абсолютных способов;
3) рабочий диапазон частот устройства ограничен рабочими диапазонами как образцового, так и излучающего преобразователей, причем, для работоспособности устройства в широком диапазоне частот необходимо несколько образцовых преобразователей;
4) при проведении относительной градуировки методом сличения соблюдается единство времени проведения измерений, т.к. оба приемника одновременно подвергаются облучению звуком, но не выполняется условие единства места их расположения - это требует учета как направленных свойств излучателя и приемников, так и влияния отражающих поверхностей, что снижает точность измерений;
5) в пределах протяженного участка ближней зоны дифракции излучающего преобразователя применение устройства дает существенную погрешность измерений.
Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности устройства вследствие необходимости использования образцового приемного преобразователя.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор непрерывных колебаний, усилитель мощности, градуируемый преобразователь, среда распространения акустической волны, бассейн, регистратор.
Известно устройство для градуировки на основе метода взаимности направленных приемников звука (см. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении - Л.: Судостроение, 1966. с.57-58), содержащее генератор непрерывных колебаний, импульсный модулятор, усилитель мощности, акустически связанные через среду распространения преобразователи - вспомогательный, обратимый и испытуемый, бассейн, входной коммутатор, линейный усилитель, логарифмический усилитель, четырехканальный временной селектор, алгебраический сумматор.
.i
Устройство работает следующим образом. Излучающий тракт устройства, включающий в себя последовательно включенные генератор непрерывных колебаний, импульсный модулятор и усилитель мощности, вырабатывает электрический радиоимпульсный сигнал с заданной частотой f (i=1, 2, … - количество измерений в общей рабочей полосе частот обратимого преобразователя, вспомогательного излучателя и испытуемого приемника звука), который одновременно поступает непосредственно на вход вспомогательного излучателя и через коммутатор на вход обратимого преобразователя, которые синхронно излучают акустические импульсы в среду распространения, например, в воду. В устройстве применено «линейное» взаимное расположение используемых электроакустических преобразователей, т.е. они установлены на одной прямой, их соединяющей, - акустической оси градуируемого направленного приемника звукового давления, таким образом, что наибольшее расстояние (от вспомогательного излучателя до испытуемого приемника) составляет 3r, а расстояния от обратимого преобразователя до вспомогательного излучателя и до испытуемого приемника равны 2r и r соответственно. Обратимый преобразователь является всенаправленным и обладает небольшими размерами в сравнении с длиной используемой акустической волны, причем, допустимо во избежание дифракционных явлений его смещение с акустической оси на расстояние, равное его диаметру. Указанное выше пространственное расположение электроакустических преобразователей позволяет разнести по временной оси импульсные электрические сигналы, вырабатываемые как градуируемым приемником: U1 (- от обратимого преобразователя), U3 (- от вспомогательного излучателя), так и обратимым преобразователем: U2 (- от вспомогательного излучателя). Цифровая нумерация импульсных сигналов соответствует их расположению на временной оси, на которой с наибольшей задержкой индицируется также падение напряжения U4 на малом эталонном сопротивлении R, включаемом последовательно с обратимым преобразователем. С учетом того, что расстояния от вспомогательного излучателя до обратимого преобразователя и приемника звука не равны между собой, выражение для чувствительности принимает вид
где H - коэффициент взаимности для обратимого преобразователя, который определяется условиями излучения, приема и характером формируемого акустического поля. При излучении и приеме сферических волн коэффициент взаимности для обратимого преобразователя равен
3
где r - расстояние между точкой излучения и точкой приема, м; λ - длина волны звука в среде, м; ρ - плотность среды, кг/м, c - скорость звука в среде, м/с; f - частота, Гц,
при излучении и приеме цилиндрических волн коэффициент взаимности равен
где L - длина преобразователя,
при излучении и приеме плоских волн
где S - площадь излучателя (см. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении - Л.: Судостроение, 1966. с.51, с.90).
Импульсные электрические сигналы U1, U2, U3, U4 в приемном тракте устройства, состоящем из последовательно соединенных входного коммутатора, линейного усилителя, логарифмического усилителя, четырехканального селектора и алгебраического сумматора, подвергаются счетно-решающей обработке, в результате которой выражены в децибелах:
2
4
где в левой части равенства чувствительность градуируемого приемника звука выражено в децибелах относительно 1 в×м/н, R - в децибелах относительно 1 Ом, H - в децибелах относительно 1 мс/кг.
Данное устройство имеет недостатки и ограничения в применении:
1) для проведения градуировки направленных приемников звука на основе метода взаимности необходимы дополнительные преобразователи - обратимый и вспомогательный, что увеличивает длину «линейного» гидроакустического канала бассейна и усложняет устройство;
2) для проведения градуировки габаритные размеры незаглушенного измерительного бассейна должны превышать минимальное расстояние градуировки (длину «линейного» гидроакустического канала) в 15-20 раз, что создает трудности при градуировке крупногабаритных преобразователей;
3) минимальная длина «линейного» гидроакустического канала определяется общей протяженностью участков ближних зон дифракции используемых электроакустических преобразователей.
4) проведение градуировки крупногабаритных преобразователей в натурных условиях естественного бассейна-водоема осложнено выполнением условия «линейного» взаимного расположения используемых направленных электроакустических преобразователей, т.е. их нахождения на одной прямой - общей акустической оси.
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, является ограниченная эксплуатационная возможность устройства вследствие необходимости использования дополнительных преобразователей - обратимого и вспомогательного, что увеличивает длину «линейного» гидроакустического канала бассейна и усложняет процесс измерений.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор непрерывных колебаний, усилитель мощности, среда распространения акустического сигнала, градуируемый преобразователь, бассейн, эталонное сопротивление.
В качестве прототипа выбрано устройство для самоградуировки на основе метода взаимности (см. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении - Л.: Судостроение, 1966. с.59-60), содержащее генератор непрерывных колебаний, импульсный модулятор, усилитель мощности, эталонное сопротивление, входной коммутатор, децибельный делитель, усилитель, осциллограф, бассейн, отражающую поверхность и акустически связанный с ней через среду распространения обратимый преобразователь.
.i
P
отр
пад
отр
отр
пад
пад
1,2
1,2
пад
P
P
Устройство работает следующим образом. На градуируемый электроакустический обратимый преобразователь поступает электрический радиоимпульсный сигнал с заданной амплитудой, вырабатываемый последовательно соединенными генератором непрерывных колебаний (значения частот f=1, 2, … определяются требуемой точностью измерений и полосой пропускания преобразователя), импульсным модулятором и усилителем мощности. Определение значения силы тока I, возбуждающего градуируемый электроакустический обратимый преобразователь, производится путем измерения величины напряжения U4 на малом эталонном сопротивлении R (его величина значительно меньше полного электрического сопротивления преобразователя во всем диапазоне частот градуировки), включаемом последовательно с указанным преобразователем, причем, отсчет величины напряжения U4 осуществляется с экрана электроннолучевой трубки осциллографа, подключаемого в момент излучения к сопротивлению через входной коммутатор, децибельный делитель и усилитель. Электроакустический преобразователь излучает акустический импульс в водную среду распространения по направлению к отражающей поверхности, расположенной на расстоянии r/2 от него, в качестве которой используется граница раздела «вода-воздух». Известно, что если на пути распространения в некоторой среде акустических колебаний находится объект с отличающимися акустическими свойствами, то часть звуковой энергии отражается от границы раздела и распространяется в обратном направлении в виде отраженной волны, причем, в случае значительности размеров (в сравнении с длиной волны) плоских «облучаемых» границ для описания как отраженных, так и преломленных волновых процессов применима лучевая теория (см. Кудрявцев В.И. Промысловая гидроакустика и рыболокация. М.: Пищ. промышленность, 1978. - 22-25 с). Для количественного описания прохождения через границу раздела звуковой энергии принято использовать коэффициенты отражения как по давлению V=P/P, так и интенсивности  (отношения звуковых давлений или интенсивностей в отраженной P, I и падающей P, I волнах соответственно), величины которых определяются значениями плотностей ρ и скоростей звука c в сопредельных средах, а также углом падения α первичной звуковой волны (относительно нормали к границе). Расчетные значения коэффициентов отражения V и прозрачности W по давлению определяются соотношениями
2
1
1
2
1
1
2
2
пад
P
пад
P
-4
-3
где m=ρ/ρ; n=c/c. Из соотношения (9) следует, что коэффициент отражения по давлению будет, тем больше, чем значительнее различие акустических сопротивлений смежных сред. Например, так как для воды (ρc) примерно в 3500 раз больше (ρ·c) воздуха (m=0,0013; ), в результате нормального падения акустической волны на плоскую границу раздела из воды в воздух, максимальный коэффициент прозрачности (α=0) может быть записан как W=(2m/n)·cosα и имеет величину ≈5,7×10, а коэффициент отражения - V≈(-1). Таким образом, звуковое давление при переходе волны из воды в воздух ослабляется примерно в 2000 раз, а прошедшая акустическая энергия составляет лишь 10 от падающей, т.е. можно считать, что акустическая энергия излучаемая преобразователем практически полностью отражается и не переходит в другую среду. Это позволяет вместо вспомогательного излучателя ввести в рассмотрение мнимый источник, расположенный в воздушной среде на расстоянии r/2 от границы раздела «вода-воздух», который представляет собой зеркальное отражение электроакустического преобразователя в плоской поверхности «вода-воздух». Таким образом, звуковой импульс полностью отражается в обратном направлении и распространяется к преобразователю, работающему в режиме приема. Электроакустический преобразователь трансформирует отраженный импульс звукового давления, вырабатывая импульсный электрический сигнал, который через входной коммутатор, децибельный делитель, усилитель поступает на отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки осциллографа, с экрана которой производится отсчет величины напряжения U3, соответствующего отраженному от границы раздела «вода-воздух» сигналу. Чувствительность градуируемого электроакустического обратимого преобразователя определяется соотношением
где значение коэффициента взаимности H указано выше (см. соотношения (5)-(7)).
Данное устройство имеет недостатки и ограничения в применении:
e
1) пользуясь методом мнимых источников, рассмотрим распространение звуковых колебаний от мнимого излучателя 5' к градуируемому электроакустическому преобразователю 5 в режиме приема, разделенных отражающим экраном или плоской границей раздела 7 (фиг.1). Как следует из условия необходимости разделения излучаемого и принимаемого импульса, расстояние между преобразователями должно удовлетворять неравенству r'>Δt×c, Δt - длительность импульса, с, c - скорость звука в среде, м/с. Размеры преобразователей D, отражающего экрана R и значение r' связаны соотношениями (см. Справочник по гидроакустике / А.П.Евтютов, А.П.Ляликов, В.Б.Митько, В.И.Пономаренко, А.Л.Простаков, Г.М.Свердлин, М.Д.Смарышев, Ю.Ф.Тарасюк, А.Е.Колесников - Л.: Судостроение, 1982. - c.215)
e
e
где λ - длина звуковой волны в среде. Таким образом, рассматриваемое устройство для самоградуировки на основе метода взаимности имеет ограничение по нижней границе частотного диапазона (от 15 кГц до 200 кГц) - чем ниже частота, тем больше должен быть как размер экрана, так и расстояние до него (например, если для 10 кГц - r'>0,9 м, R>0,37 м, то для 1 кГц -r'>9 м, R>3,7 м). Так, для излучателя с размером 1 м, работающем в воде на частоте 10 кГц (λ=0,15 м), сформировавшееся акустическое поле будет расположено не ближе, чем в 6 м от излучателя. Следует учитывать, что современные гидроакустические антенные системы, состоящие из набора отдельных электроакустических преобразователей, отличаются как большими размерами, доходящими до (8-12) м, так и низкими рабочими частотами, что требует для проведения измерений очень больших объемов воды и использования громоздкого дорогостоящего оборудования (см. Простаков А.Л. Гидроакустика и корабль - Л.: Судостроение, 1967, сс.18-26, 32-45, 91-102; Митько В.Б., Евтютов А.П., Гущин С.Е. Гидроакустические средства связи и наблюдения - Л.: Судостроение, 1982, сс.74-119).
-3
2) использование вместо вспомогательного излучателя мнимого источника, расположенного в воздушной среде на расстоянии r'/2 от границы раздела «вода-воздух», представляющего собой зеркальное отражение градуируемого электроакустического преобразователя, не в полной мере справедливо, так как в соответствии с лучевой теорией данная граница обладает некоторой прозрачностью: звуковое давление волны ослабляется примерно в 2000 раз (- 66 дБ), а прошедшая акустическая энергия составляет ~10 от падающей (- 30 дБ), что не учитывается при проведении расчетов и увеличивает погрешность косвенного измерения чувствительности в рабочем диапазоне частот;
3) структурная схема рассматриваемого устройства для самоградуировки на основе метода взаимности не содержит блоков и связей, позволяющих в рабочем диапазоне частот осуществлять процедуру, устанавливающую соответствие характеристик «излучающего тракта» мнимого излучателя 5' (фиг.1) своим реальным параметрам, т.е. калибровку за счет экспериментального измерения существующей акустической прозрачности отражающей границы раздела;
2
4) теоретическое исследование прозрачности границы раздела «вода-воздух» (см. Годин О.А. Прохождение низкочастотного звука из воды в воздух. Акуст. Журнал, т.53. 2007. - №3. - С.353-361) дает основание предположить наличие в низкочастотном диапазоне аномального увеличения прохождения неоднородных звуковых волн, формируемых источником, при условии, что граница раздела удалена от него на расстояния, сопоставимые с длиной волны излучения. Проведенные эксперименты дали положительный результат (см. Волощенко В.Ю., Волощенко А.П., Тарасов С.П. Экспериментальное исследование акустической прозрачности границы раздела вода-воздух для звуковых частот // Материалы 12-го междунар. науч.-практ. семинара «ПРАКТИКА И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПАРТНЕРСТВА В СФЕРЕ ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ», 12-14 апреля 2011 г., Донецк, том 2, с.29-32): например, при облучении границы раздела с помощью отдельной возбуждаемой секции цилиндрической антенны (D≈(0,1×0,1) м, λ=0,19 м, D/λ≈0,05 м, ν=8 кГц) уменьшение заглубления (от 2 м до 0,1 м) дало увеличение коэффициента прохождения от (- 65 дБ) до (- 45 дБ) (фиг.2).
Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности устройства для самоградуировки вследствие отсутствия учета акустической прозрачности границы раздела «вода-воздух», что снижает точность проводимых акустических измерений.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор непрерывных колебаний, усилитель мощности, эталонное сопротивление, децибельный делитель, усилитель, осциллограф, бассейн, отражающая поверхность и акустически связанный с ней через среду распространения обратимый градуируемый преобразователь.
Задачей полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей устройства за счет учета влияния акустической прозрачности отражающей границы раздела «вода-воздух» на результаты измерений в рабочей полосе частот, что позволит осуществлять абсолютную самоградуировку электроакустического преобразователя с повышенной точностью.
Технический результат полезной модели заключается в увеличении точности осуществления абсолютной самоградуировки акустических преобразователей за счет учета влияния акустической прозрачности отражающей границы раздела «вода-воздух».
Технический результат достигается тем, что в устройство для абсолютной самоградуировки акустических преобразователей, содержащее генератор непрерывных колебаний, усилитель мощности, эталонное сопротивление, децибельный делитель, усилитель, осциллограф, бассейн, отражающую поверхность и акустически связанный с ней через среду распространения обратимый градуируемый преобразователь, дополнительно введены хронизатор-модулятор, приемный электроакустический преобразователь, предварительный усилитель, аналоговый ключ, счетно-решающий блок и блок управления; генератор непрерывных колебаний через хронизатор-модулятор соединен со входом усилителя мощности, дополнительный вход хронизатора-модулятора соединен через предварительный усилитель с выходом приемного электроакустического преобразователя, а дополнительный выход - с третьим входом аналогового ключа, первый и второй входы аналогового ключа соединены с выходом эталонного сопротивления и выходом обратимого градуируемого преобразователя (в режиме приема отраженного сигнала) соответственно, выход усилителя соединен со входом счетно-решающего блока, управляющие входы генератора непрерывных колебаний, хронизатора-модулятора, аналогового ключа, децибельного делителя, усилителя, осциллографа и счетно-решающего блока соединены с соответствующими выходами блока управления, причем, приемный электроакустический преобразователь расположен на акустической оси градуируемого преобразователя и может перемещаться вдоль вертикали, что позволяет производить последовательно измерения уровней акустических сигналов на отражающей границе раздела как в водной, так и в воздушной средах для измерения ее акустической прозрачности.
Введенные блоки в совокупности с описанными связями позволят расширить эксплуатационные возможности устройства за счет экспериментального измерения акустической прозрачности отражающей границы раздела «вода-воздух» на каждой частоте рабочего диапазона градуировки, позволив увеличить точность абсолютной самоградуировки электроакустического преобразователя.
P
На фиг.1. представлена схема поясняющая функционирование тракта калибровки устройства для градуировки обратимого акустического преобразователя на основе самовзаимности (5 - градуируемый электроакустический преобразователь, 7 - отражающая граница раздела, 5′, 5″ - мнимый излучатель - верхнее положение при отсутствии учета прозрачности, нижнее - при учете аномальной прозрачности), фиг.2 - графики изменения коэффициентов акустической прозрачности (прохождения) W (1 - эксперимент, 2 - «лучевая» теория) от величины нормированного заглубления h/λ секции цилиндрической антенны при частоте излучения 8 кГц, фиг.3 - структурная схема устройства для абсолютной самоградуировки электроакустического преобразователя.
Устройство для абсолютной самоградуировки электроакустического преобразователя (фиг.3) функционально объединяет тракты:
1) излучения - генератор непрерывных колебаний 1 соединен через последовательно включенные хронизатор-модулятор 2 (канал импульсного модулятора) и усилитель мощности 3 с градуируемым электроакустическим преобразователем 5, находящемся в акустическом контакте с границей раздела 7 «вода-воздух» заполненного бассейна 6 и расположенном так, что ось основного лепестка характеристики направленности нормальна относительно указанной выше границы;
2) калибровки - приемный электроакустический преобразователь 8 через предварительный усилитель 9 и хронизатор-модулятор 2 (канал стробирования в приеме) соединен с третьим входом аналогового ключа 10, причем, приемный электроакустический преобразователь 8 расположен как на оси основного лепестка градуируемого преобразователя 5, так и вблизи отражающей границы 7, причем, может перемещаться вдоль вертикали, что позволяет производить последовательно регистрацию уровней акустических сигналов на отражающей границе раздела как в водной, так и в воздушной средах для измерения ее акустической прозрачности, т.е. оценки ее отражательной способности;
3) приема - аналоговый ключ 10 через децибельный делитель 11, усилитель 12 соединен со входами осциллографа 13 и счетно-решающего блока 14, причем, первый, второй и третий входы аналогового ключа 10 соединены с выходами градуируемого электроакустического преобразователя 5 в режиме приема, эталонного малого сопротивления 4 величиной R и канала стробирования в приеме хронизатора-модулятора 2 соответственного;
4) управления функционированием блоков устройства - выходы блока управления 15 соединены с соответствующими управляющими входами генератора непрерывных колебаний 1, хронизатора-модулятора 2, аналогового ключа 10, децибельного делителя 11, усилителя 12, осциллографа 13 и счетно-решающего блока 14
.i
.i
пад
пр
пад
пр
3
пр
пад
отр
отр
пад
P
Работа устройства для абсолютной самоградуировки акустического преобразователя происходит следующим образом. Генератор непрерывных колебаний 1 в излучающем тракте устройства вырабатывает электрический сигнал с частотой f (значение частоты f, i=1, 2, … определяется требуемой точностью измерений, полосой пропускания преобразователя и при проведении дальнейших замеров может синхронно перестраиваться с заданным шагом изменения по команде с блока управления 15), поступающий на вход канала импульсного модулятора в хронизаторе-модуляторе 2, приводящегося в рабочее состояние по команде с блока управления 15, в результате чего на выходе получаем радиоимпульс с гармоническим ВЧ заполнением. Хронизатор-модулятор 2 предназначен для работы в качестве как импульсного модулятора (первый канал), так и приемного стробирующего устройства (второй канал) при проведении акустических измерений в импульсном режиме в лабораторных и полевых условиях, разработан на кафедре электрогидроакустики и ультразвуковой техники Таганрогского радиотехнического института (см. Т.Н.Горовая, В.В.Гривцов, М.С.Рыбачек. «Хронизатор-модулятор для акустических измерений», междувед. сборник «Прикладная акустика», вып.VI, Таганрог, ТРТИ, 1978, С.136-142). Выход первого канала хронизатора-модулятора 2 через усилитель мощности 3 соединен со входами как градуируемого преобразователя 5, который излучает акустический импульс в водную среду бассейна 6, так и со вторым входом аналогового ключа 10, который на время излучения закрыт по команде с блока управления 15. В момент излучения первый вход аналогового ключа 10 подключен к выходу малого эталонного сопротивления 4, включенного последовательно с преобразователем 5, что необходимо для определения значения силы тока I его возбуждения посредством измерения в приемном тракте (11 - децибельный делитель, 12 - усилитель, 13 - осциллограф) величины падения напряжения U4=I×R на этом сопротивлении 4 величиной R. Градуируемый электроакустический преобразователь 5 расположен так, что ось основного лепестка характеристики направленности расположена нормально относительно границы раздела 7 «вода-воздух» заполненного бассейна 6, что позволяет осуществить акустический контакт с поверхностью и минимизировать нежелательные переотражения. Для достижения технического результата - увеличения точности самоградуировки за счет оценки акустической прозрачности границы раздела «вода-воздух» - следует использовать тракт калибровки предлагаемого устройства, позволяющий производить последовательно регистрацию уровней электрических сигналов (U, U на отражающей границе раздела 7, вырабатываемых приемным электроакустическим преобразователем 8, которые соответствуют акустическим сигналам как в водной (P), так и в воздушной (P) средах от градуируемого преобразователя 5. Данные электрические сигналы с выхода приемного электроакустического преобразователя 8 через предварительный усилитель 9 и канал стробирования в приеме хронизатора-модулятора 2 поступают на третий вход аналогового ключа 10, выход которого соединен с остальными блоками приемного тракта (11 - децибельный делитель, 12 - усилитель, 13 - осциллограф) и входом счетно-решающего блока 14, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами блока управления 15. С помощью тракта калибровки предлагаемого устройства необходимо на рабочей частоте экспериментально измерить величину акустической прозрачности границы 7 раздела «вода-воздух», на основании чего следует рассчитать поправочные коэффициенты (счетно-решающий блок 14). Напомним, что в основе работоспособности рассматриваемого устройства как средства измерения лежит то, что излученный импульс после отражения принимается тем же градуируемым преобразователем 5, что соответствует третьему этапу измерений в универсальном методе трех преобразователей на основе принципа взаимности (измеряются: I - ток возбуждения обратимого преобразователя, U - электрическое напряжение на выходе градуируемого преобразователя и расстояние r между обратимым и градуируемым преобразователями), а также предположение о том, что границу раздела «вода-воздух» принято считать полностью отражающей поверхностью. Однако известно, что звуковое давление при переходе волны из воды в воздух ослабляется примерно в 2000 раз, т.е. прошедший акустический сигнал (P) составляет ~0,0005 раз или 0,05% от падающего P (1 или 100%), в результате чего отраженный акустический сигнал (P) незначительно, но меньше (0,9995 или 99,95%) в сравнении с падающим. Увеличения уровня отраженного (P) акустического сигнала до уравнивания с падающим (P) можно добиться за счет приближения к границе раздела точки расположения мнимого источника (например, из 5′ в 5″, которые удалены от градуируемого преобразователя 5 на расстояния r′ и r″ (соответственно), т.е. уменьшения расстояния r, величина которого входит в коэффициент взаимности (5)-(6), что исключит завышение расчетного значения искомой чувствительности градуируемого преобразователя 5. Приведем оценочные расчеты поправочных коэффициентов µ, позволяющих определять истинное значение чувствительности для градуируемого преобразователя 5, излучающего и принимающего сферические волны. Для описанного выше «классического» случая коэффициент прозрачности W по давлению ≈0,05% и µ=0,99975, увеличение же акустической прозрачности отражающей границы раздела на 20 дБ (в 10 раз), 30 дБ (в 31,6 раз), 40 дБ (в 100 раз) задают диапазон изменения поправочного коэффициента µ от 0,9977 до 0,9747, что соответствует увеличению разности Δr=r′-r″ от 0,0021×r′ до 0,026×r′, т.е. сближению градуируемого преобразователя 5 и мнимого источника. Электроакустический преобразователь 5 трансформирует отраженный импульс звукового давления , вырабатывая импульсный электрический сигнал U3', который через третий вход аналогового ключа 10, децибельный делитель 11, усилитель 12 поступает на отклоняющие пластины электронно-лучевой трубки осциллографа 13, с экрана которой производится отсчет величины напряжения U3, соответствующего отраженному от границы раздела «вода-воздух» сигналу. Чувствительность градуируемого электроакустического обратимого преобразователя 5 определяется соотношением (счетно-решающий блок 14)
где в значении коэффициента взаимности H измеренное расстояние r′ между обратимым и градуируемым преобразователями домножено на полученный выше поправочный коэффициент µ, т.е. стало равным r″. Для значений увеличения акустической прозрачности: на 20 дБ, 30 дБ, 40 дБ - точность косвенных измерений чувствительности градуируемого преобразователя 5 будет повышена в 1,0023, 1,0076 и 1,026 раз соответственно
Проблема повышения точности метода достаточно актуальна. Так, для градуировки методом самовзаимности электроакустических преобразователей, используемых в медицинских эхолокационных системах, для рабочих частот 1 МГц и 2 МГц в непрерывном и импульсном режимах «традиционная» установка обеспечила погрешность ~30% и 20% соответственно (см. Reid J.M. Self-reciprocity Calibration of Echo-Ranging Transducers. JASA, 1974, vol.55, №4, p.862-868). Известно описание (см. R.B.Patterson. Using the Ocean Surface on a Reflector for the Self-Reciprocity Calibration of a Transducer. - JASA, 167, vol.36, p.1557) результатов использования метода самовзаимности для градуировки (точность ~±20 дБ) электроакустического преобразователя с рабочей частотой 1,78 кГц (длина волны 10 м) в океанских условиях, причем, его заглубление составило ~360 м. Внедрение в практику гидролокации больших антенн породило потребность в специальных методах их калибровки на малых расстояниях, в результате чего были разработаны два сложных и дорогостоящих варианта решения проблемы калибровки в ближнем поле. В первом методе используется гидрофон-зонд для измерения амплитуды и фазы давления в водной среде во многих точках в ближнем поле антенны, что позволяет рассчитать затем звуковое давление в дальнем поле (см. метод DRL - D.D.Baker. Determination of Far-Field Characteristics of Large Underwater Sound Transducers from Near-Field Measurements. - JASA, 1962, vol.34, p.1737). Второй (см. решетка Тротта - W.J.Trott. Underwater Sound Transducer Calibration from Nearfield Data. - JASA, 1964, vol.36, p.1557) базируется на использовании плоской антенной решетки, состоящей из малых источников звука (расстояние между ними ~0,8λ, максимальные размеры не должны превышать 0,1λ), в ближнем поле которой имеется область однородных плоских бегущих волн, в которую и помещается градуируемая антенна, причем, по принципу взаимности можно выполнить измерения, в которых решетка Тротта служит в качестве приемника для определения чувствительности большой антенны в режиме излучения.