Устройство для градуировки электроакустических преобразователей
APPARATUS FOR GRADING ELECTROACOUSTIC TRANSDUCERS

Изобретение относится к области акустических измерений и может быть использовано для измерения как частотной зависимости чувствительности в режиме приема (излучения), так и характеристики направленности (ХН) электроакустического преобразователя в заданном диапазоне частот. Преимущественная область использования - акустические измерения и гидроакустика.
В гидроакустической аппаратуре для измерения звуковых давлений в водной среде используются гидрофоны, предварительно отградуированные с помощью эталонных средств измерений (см. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П. Голямина. - М.: «Сов. энциклопедия», 1979, 400 с. Гидрофон, с. 85-86). С увеличением количества выпускаемой гидроакустической аппаратуры, в состав которых входят измерительные гидрофоны, возникает проблема разработки новых образцовых средств измерений, позволяющих проводить градуировку в свободном поле с меньшей погрешностью (менее 1 дБ) при большей доверительной вероятности (более 0,68). При практической реализации этих задач в метрологии большое внимание уделяется уменьшению габаритов аппаратуры, повышению ее производительности, а также проектированию средств измерений, обладающих излучающем трактом с малоизменяющимися в широкой полосе частот акустическими параметрами (см. Блинова Л.П., Колесников А.Е., Ланганс Л.Б. Акустические измерения. - М.: Изд-во стандартов, 1971. - 271 с. Глава 1. Общие вопросы акустической метрологии, с. 5 - 41). Известны основные требования к измерительной установке, используемой как при аттестации гидрофонов, так и при измерении ХН гидроакустических преобразователей в свободном поле: 1) звуковое давление, создаваемое электроакустическим излучателем, должно обеспечивать в приемном тракте отношение сигнал/шум не менее 10 дБ (см. МИ 2140 - 91 ГСИ Приемники (гидрофоны) гидроакустические измерительные. Требования к разработке методик аттестации и поверок http://normacs.ru/Doclist/doc/11ВС1.html дата обращения 1.12.2019); 2)размер апертуры электроакустического преобразователя должен обеспечивать условие проведения измерений в дальнем поле, а его конструкция не должна увеличивать время реверберации в измерительном бассейне; 3) изменение частотной характеристика излучателя в рабочем диапазоне должно быть монотонным без резких спадов и подъемов; 4) ХН излучателя должна иметь малый уровень бокового поля (около - 20 дБ) при малоизменяющейся ширине основного лепестка (уровень - 3 дБ по звуковому давлению) во всем диапазоне рабочих частот; 5) стабильность характеристик излучателя во времени при различных климатических условиях (давление, температура, влажность). Однако в настоящее время измерительные установки не полностью соответствуют комплексу требований, в частности, работоспособность на дискретных рабочих частотах обеспечивается применением набора интерференционных электроакустических преобразователей, обладающих значительной неравномерностью как частотных характеристик, так и формирующегося ультразвукового поля, что ограничивает эксплуатационные возможности устройств.
Известно устройство для относительной градуировки методом сличения электроакустических преобразователей - излучателей звука и приемников звукового давления (см. Справочник по гидроакустике. - Л. «Судостроение», 1982, Глава 7, § 7.3 Градуировка акустических измерительных трактов, с. 218-219), содержащее генератор гармонических колебаний, импульсный модулятор, синхронизатор, усилитель мощности, первый измеритель амплитуды, излучающий электроакустический преобразователь, акустически связанный через среду распространения с двумя приемными электроакустическими преобразователями - образцовым и испытуемым, заглушенный бассейн, оборудованный координатной системой для установки и перемещения преобразователей, аналоговый ключ для коммутации приемных преобразователей, усилитель, полосовой фильтр, стробируемый блок, осциллограф, самописец.
.i
i
Устройство работает следующим образом. В излучающем тракте формируется электрический радиоимпульсный сигнал с заданной амплитудой U1 и частотой ƒ=ω/2π (i = 1, 2, …, - количество проводимых измерений, частоты находятся в полосе пропускания), который поступает на электроакустический преобразователь, излучающий ультразвуковой импульс в среду распространения. Образцовый и градуируемый электроакустические преобразователи, обладающие чувствительностями по звуковому давлению - известной  и неизвестной  соответственно, являются приемниками звукового давления, расположены рядом и без «затенения» на акустической оси излучающего электроакустического преобразователя в его дальней зоне
а
i
0
т.е. на удалении, большем длины дифракционной расходимости  акустического пучка (D=2 - диаметр излучающего электроакустического преобразователя, ω - циклическая частота i-того 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 электроакустических преобразователей от различных участков колеблющейся поверхности излучающего электроакустического преобразователя. В ближней прожекторной зоне (зоне Френеля) протяженностью  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, Глава 7 Параметры аппаратуры в режиме излучения, § 7.1 Характеристики направленности антенн, с. 92-93.). Образцовый и градуируемый электроакустический преобразователи преобразуют достигший их ультразвуковой импульс в электрические сигналы с амплитудами  и,  которые после усиления, фильтрации и стробирования фиксируются осциллографом и самописцем. Это позволит исследователю для необходимых спектральных составляющих (ƒi) частотного диапазона измерений рассчитать значения:
1) чувствительности по звуковому давлению в режиме приема для градуируемого электроакустического преобразователя
2) чувствительности электроакустического преобразователя в режиме излучения
где  - 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 электроакустический преобразователь, причем, точность измерений ограничивается погрешностью выполнения градуировки образцового электроакустического преобразователя;
2) рабочий диапазон частот устройства ограничен рабочими диапазонами как образцового, так и излучающего электроакустических преобразователей, причем, для работоспособности устройства в широком диапазоне частот необходимо несколько образцовых электроакустических преобразователей;
3) при проведении относительной градуировки методом сличения соблюдается единство времени проведения измерений, т.к. оба электроакустических приемных преобразователя одновременно подвергаются облучению ультразвуком, но не выполняется условие единства места их расположения - это требует учета как направленных свойств электроакустических излучателя и обоих приемников, так и влияния отражающих поверхностей бассейна, что снижает точность измерений; 4) в пределах протяженного участка ближней зоны дифракции излучающего электроакустического преобразователя применение устройства дает существенную погрешность измерений.
Вышеперечисленные недостатки ограничивают эксплуатационные возможности устройства, что снижает точность и частотный диапазон измерений.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор гармонических колебаний, импульсный модулятор, синхронизатор, усилитель мощности, электроакустический излучающий преобразователь, акустически связанный через среду распространения с приемным градуируемым электроакустическим преобразователем, заглушенный бассейн, оборудованный координатной системой для установки и перемещения преобразователей, аналоговый ключ для коммутации приемных преобразователей, усилитель, полосовой фильтр, стробируемый блок, осциллограф, самописец.
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 гармонических колебаний, импульсный модулятор, синхронизатор, усилитель мощности, акустически связанные через среду распространения преобразователи - вспомогательный, обратимый и испытуемый, заглушенный бассейн, оборудованный координатной системой для установки и перемещения преобразователей, аналоговый ключ для коммутации приемных преобразователей, линейный усилитель, логарифмический усилитель, эталонное сопротивление R, четырехканальный временной селектор, алгебраический сумматор.
.i
Устройство работает следующим образом. Излучающий тракт устройства, включающий в себя последовательно включенные генератор гармонических колебаний, импульсный модулятор, синхронизатор и усилитель мощности, вырабатывает электрический радиоимпульсный сигнал с заданной частотой ƒ (где 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 аналоговый ключ для коммутации 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 Н - 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, с - скорость звука в среде, м/с; ƒ - 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 Глава 1 Элементы акустических измерительных трактов. § 7 Градуировка электроакустических преобразователей на основе принципа взаимности, с. 51, с. 90).
Импульсные электрические сигналы U1, U2, U3, U4 в приемном тракте устройства, состоящем из последовательно соединенных аналогового ключа для коммутации приемных преобразователей, 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 выражена в децибелах относительно 1 в×м/н, R - в децибелах относительно 1 Ом, Н - в децибелах относительно 1 м с/кг.
Данное устройство имеет недостатки и ограничения в применении:
1) для проведения градуировки направленных приемников ультразвука 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 заглушенного бассейна, оборудованного координатной системой для установки и перемещения преобразователей, 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) рабочий диапазон частот устройства ограничен рабочими диапазонами электроакустических преобразователей, причем, для работоспособности устройства в широком диапазоне частот необходимо иметь несколько наборов электроакустических преобразователей.
Вышеперечисленные недостатки ограничивают эксплуатационные возможности устройства, что снижает точность и частотный диапазон измерений.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор гармонических колебаний, усилитель мощности, водная среда распространения акустического сигнала, градуируемый электроакустический преобразователь, заглушенный бассейн, оборудованный координатной системой для установки и перемещения преобразователей, аналоговый ключ для коммутации приемных преобразователей.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является устройство для проверки электроакустических преобразователей в диапазоне 0,001 - 100 кГц по методу замещения (см. Государственный специальный эталон и общесоюзная поверочная схема для средств измерений звукового давления в водной среде в диапазоне частот от 0,001 до 200 кГц. ГОСТ 8.124 -74. - М.: Изд-во стандартов, 1974. - 6 с.), содержащее излучающий тракт: генератор гармонических колебаний, импульсный модулятор, синхронизатор, усилитель мощности, частотомер, акустически связанные через водную среду распространения электроакустические преобразователи - излучающие и приемные: образцовый и испытуемый, заглушенный бассейн, оборудованный координатной системой для установки и перемещения преобразователей, имеющей механический привод от самописца; а также приемный тракт: аналоговый ключ для коммутации приемных преобразователей, усилитель, блок фильтров, стробирующий блок, осциллограф, самописец, блок управления.
.j
Устройство работает следующим образом. Излучающий тракт устройства, включающий в себя последовательно включенные генератор гармонических колебаний, импульсный модулятор, синхронизатор и усилитель мощности, вырабатывает электрический радиоимпульсный сигнал с заданной амплитудой U1 и частотой ƒ (где i = 1, 2, … - количество измерений), который через аналоговый ключ для коммутации излучателей, управляемый по команде с блока управления, поступает на вход необходимого излучающего электроакустического преобразователя: 1 Электродинамического НЧИ - поддиапазон частот (0,2 - 2,5) кГц с габаритными размерами (500 × 300) мм; 2) пьезоэлектрического ВЧИ - поддиапазон частот (2,5 - 25) кГц с габаритными размерами (200 × 150) мм; 3) пьезоэлектрического ВЧИ - поддиапазон частот (25 - 100) кГц с габаритными размерами (100 × 40) мм. Электроакустический преобразователь обеспечивает двойное преобразование энергии: электромеханическое, в результате которого часть подводимой к преобразователю электрической энергии переходит в энергию колебаний некоторой механической системы, и механоакустическое, при котором за счет колебаний механической системы в среде создается звуковое поле (см. Ультразвук. Маленькая энциклопедия. Глав. ред. И.П. Голямина. - М.: «Сов. энциклопедия», 1979, 400 с. Электроакустический преобразователь, с. 380-383). В частности, основа конструкции электродинамического излучателя (НЧИ) - помещенная в постоянное магнитное поле катушка, по которой протекает переменный ток. Переменная сила, возникающая при этом, вызывает колебания с частотой тока подвижной системы электродинамического излучателя. В подвижную систему, помимо проводника с током, входит связанное с ним излучающее устройство в виде диафрагмы. Неравномерность частотных характеристик (до 20%) и величина нелинейных искажений (коэффициент гармоник до 10%), создаваемых электродинамическим излучателем, велики, что не может не отражаться на качестве измерений. Работоспособность пьезоэлектрических ВЧИ основана на пьезоэлектрическом эффекте, причем, если они используются в режиме излучения, то используются в узком диапазоне частот вблизи резонанса их механической системы. Таким образом, выбранный электроакустический преобразователь в необходимом диапазоне частот создает в водной среде звуковое поле, проявляющееся в возникновении областей сжатия и разряжения, которые распространяются со скоростью звука в направлении приемных пьезоэлектрических преобразователей: образцового и градуируемого. Образцовый и градуируемый пьезоэлектрические преобразователи обладают чувствительностями по звуковому давлению - известной  и неизвестной  соответственно, и являются приемниками звукового давления, расположены рядом и могут быть поочередно установлены (без «затенения») на акустической оси излучающего электроакустического преобразователя в его дальней зоне. Расстояние между излучателем и приемником должно превышать расстояние, необходимое для формирования их характеристик направленности
изл
пр
i
где D и D - наибольшие размеры электроакустических преобразователей - излучающих и приемных соответственно, λ - длина звуковой волны, соответствующая циклической частоте i-того возбуждающего сигнала, i = 1, 2, …, - количество проводимых измерений, частоты находятся в полосе пропускания излучателя. В соответствии с методом замещения на акустической оси излучающего электроакустического преобразователя в объеме заглушенного бассейна (см. Клюкин И.И., Колесников А.Е. Акустические измерения в судостроении -Л. Судостроение, 1966 Глава 111 Измерение шумов. § 14 Измерительные бассейны. Их характеристики, звукопоглощающие покрытия для бассейнов, с. 120-130, Справочник по гидроакустике. - Л. «Судостроение», 1982, Глава 7, § 7.2 Измерительные объемы. Гидроакустические трубы и бассейны, с. 208-213), оборудованного координатной системой для установки и перемещения преобразователей, сначала располагают образцовый приемный преобразователь. При замещении образцового преобразователя градуируемым сохраняется единство места и полная идентичность используемой аппаратуры прототипа, однако, не сохраняется единство времени. Это требует поддержания неизменности режима излучения, т.е. стабильности работы как излучающего тракта, так и излучателя, так как недопустимо разделять два указанных измерения на значительный промежуток времени - могут измениться внешние условия, искажающие результаты измерений. Воздействие звукового поля на приемные: как образцовый, так и градуируемый - преобразователи в соответствии с прямым пьезоэффектом приведет к появлению переменного электрического сигнала на их выходах. Таким образом, образцовый и градуируемый электроакустический преобразователи поочередно преобразуют достигающие их ультразвуковые импульсы в электрические сигналы с амплитудами  и , которые через аналоговый ключ для коммутации приемных преобразователей по команде с блока управления поступают на вход приемного тракта, в котором после усиления, фильтрации и стробирования фиксируются осциллографом и самописцем. Это позволит исследователю для необходимых спектральных составляющих (ƒi) частотного диапазона измерений рассчитать значения чувствительности по звуковому давлению в режиме приема для градуируемого электроакустического преобразователя
Данное устройство имеет недостатки и ограничения в применении:
изл
3
1) сформировавшаяся зона направленности образуется на расстоянии от излучателя сигнала установки , где D - максимальный размер источника. На более близком расстоянии от источника звуковое поле имеет сложный нерегулярный характер, что делает невозможным проведение достоверных акустических измерений в ВЧ диапазоне при используемом в прототипе объеме 1 м заглушенного бассейна с габаритными размерами (0,9×1,23×0,9) м. Например, для электродинамического НЧИ - поддиапазон частот (0,2 - 2,5) кГц с габаритными размерами (500 × 300) мм граница ближней зоны изменяется в диапазоне (0,07 - 0,83) м; для первого пьезокерамического ВЧИ - поддиапазон частот (2,5 - 25) кГц с габаритными размерами (200 × 150) мм - (0,07 - 0,7) м; для второго пьезокерамического ВЧИ - поддиапазон частот (25 - 100) кГц с габаритными размерами (100 × 40) мм - (0,33 - 1,33) м соответственно. Из указанного следует, что «измерительная» часть заглушенного бассейна имеет невысокую достоверность, что снижает и ограничивает как точность, так и частотный диапазон измерений;
2) в предположении сферичности используемых в прототипе излучателей оценим величины дифракционных постоянных: 1) для электродинамического НЧИ - поддиапазон частот (0,2 - 2,5) кГц с габаритным размером 500 мм значение данного параметра изменяется в диапазоне (0,36 - 0,98); для первого пьезокерамического ВЧИ - поддиапазон частот (2,5 - 25) кГц с габаритным размером 200 мм - (0,7 - 0,1); для второго пьезокерамического ВЧИ - поддиапазон частот (25 - 100) кГц с габаритным размером 100 мм - (0,2 - 0,048) соответственно. Отсюда следует, что акустическая часть излучающего тракта прототипа имеет значительную величину изменения дифракционной постоянной, т.е. минимальные искажения звукового поля в большей степени соответствуют эксплуатации только электродинамического НЧИ, что снижает и ограничивает как точность, так и частотный диапазон измерений;
3) в диапазоне (0.2-25) кГц функционирование прототипа в требуемой полосе частот обусловлено применением двух штатных электроакустических преобразователей: 1 Электродинамического НЧИ - поддиапазон частот (0,2 - 2,5) кГц с габаритными размерами (500 × 300) мм; 2) пьезокерамического ВЧИ - поддиапазон частот (2,5 - 25) кГц с габаритными размерами (200 × 150) мм (фиг. 2). Как следует из фиг. 2, участки частотной характеристики как НЧИ, так и ВЧИ в поддиапазонах частот (0,2 - 2,5) кГц и (2,5 - 25) кГц имеют существенную изрезанность и немонотонность приращения (динамический диапазон до 48 дБ, т.е. ~ 250 раз): для НЧИ - до 18 дБ (~ 8 раз) и для ВЧИ - до 30 дБ (~ 31 раз). Осуществление измерений в прототипе с такими источниками затруднительно, что ограничивает эксплуатационные возможности устройства, снижая точность измерений.
4) в прототипе не для всех излучателей выполняется требование «минимальности как числа, так и уровней добавочных лепестков в характеристике направленности». Как следует из фиг. 5, полностью данному критерию прототип соответствует с первым ВЧИ только на частоте 5 кГц.
Осуществление измерений в прототипе с такими источниками затруднительно, что ограничивает эксплуатационные возможности устройства, снижая точность измерений.
Вышеперечисленные недостатки ограничивают эксплуатационные возможности устройства, что сказывается как на точности, так и частотном диапазоне измерений.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор гармонических колебаний, импульсный модулятор, синхронизатор, усилитель мощности, частотомер, акустически связанные через водную среду распространения электроакустические преобразователи - излучающие и приемные: образцовый и градуируемый, заглушенный бассейн, оборудованный координатной системой для установки и перемещения преобразователей, имеющей механический привод от самописца, аналоговый ключ для коммутации приемных преобразователей, усилитель, блок фильтров, стробирующий блок, осциллограф, самописец, блок управления.
Задачей изобретения является создание устройства для градуировки электроакустических преобразователей с расширенными эксплуатационными возможностями и с высокой точностью.
Технический результат изобретения заключается в повышении точности измерений и расширении частотного диапазона измерений за счет применения акустического тракта со стабильными во времени параметрами в широкой полосе частот.
Технический результат достигается тем, что в известное устройство для градуировки электроакустических преобразователей, состоящее из излучающего тракта, включающего в себя генератор гармонических колебаний, импульсный модулятор, синхронизатор, усилитель мощности, частотомер, излучающий электроакустический преобразователь и приемный тракт, включающий образцовый и градуируемый электроакустические преобразователи, аналоговый ключ для коммутации приемных электроакустических преобразователей, усилитель, блок фильтров, стробирующий блок, блок управления излучающим и приемным трактами и заглушенный бассейн для размещения приемных электроакустических преобразователей и координатной системы для установки и перемещения преобразователей, в излучающий тракт дополнительно введены второй генератор гармонических колебаний, сумматор, амплитудный детектор, фильтр низкой частоты, согласующий усилитель и режекторный фильтр, причем выходы обоих генераторов гармонических колебаний соединены с двумя сигнальными входами сумматора, первый выход которого через импульсный модулятор, согласующий усилитель, усилитель мощности и режекторный фильтр соединен со входом излучающего электроакустического преобразователя, второй выход сумматора через амплитудный детектор и фильтр низкой частоты соединен с сигнальным входом частотомера, а выходы блока управления соединены с управляющими входами обоих генераторов гармонических колебаний, синхронизатора, частотомера, аналогового ключа для поочередной коммутации выходов приемных преобразователей.
0
1
2
1
2
0
Излучающий электроакустический преобразователь выполнен с резонансной частотой ƒ, и в его полосе пропускания находятся частоты ƒ, ƒ гармонических колебаний генераторов, связанные соотношением (ƒ+ƒ)/2=ƒ.
Устройство предпочтительно содержит самописец и осциллограф, подключенные к блоку управления.
Указанная совокупность признаков неизвестна из уровня техники, следовательно заявляемое устройство удовлетворяет условию патентоспособности «новизна». Совокупность существенных признаков устройства градуировки электроакустических преобразователей позволяет расширить эксплуатационные возможности устройства за счет применения режима параметрического излучения, в частности, предлагаемое устройство соответствует комплексу требований, используемому как при аттестации гидрофонов, так и при измерении ХН гидроакустических преобразователей в свободном поле. Режим параметрического излучения с точки зрения количественных измерений обеспечивает:
- повышение направленности, что существенно снижает влияние помех и повышает точность;
- отсутствие боковых лепестков уменьшает воздействие на эксперименты деталей креплений, отражающих элементов;
- независимость характеристик направленности от частоты позволяет автоматизировать измерения;
- малые поперечные размеры и массу излучающих электроакустических преобразователей.
На фиг. 1 показана структурная схема заявляемого устройства;
на фиг. 2 и фиг. 3 - представлены экспериментальные графики для диапазона (0.2-25) кГц, отображающие зависимости частотных характеристик чувствительностей в режиме излучения для прототипа и заявляемого устройства соответственно;
на фиг. 4 и фиг. 5 в прямоугольной системе координат изображены экспериментальные графики угловой зависимости звукового давления, развиваемого в режиме излучения для прототипа (ВЧИ, три кривые: 1 - 5 кГц, 2 - 20 кГц, 3 - 25 кГц) и заявляемого устройства (четыре кривые: 1 - 5 кГц, 2 - 20 кГц, 3 - 25 кГц, 4 - 100 кГц) соответственно.
1
2
0
1
2
1
2
0
1
2
1
2
0
0
1
2
1
2
2
2
2
1
0
0
0
а
Устройство для градуировки электроакустических преобразователей (фиг. 1) содержит излучающий тракт: два генератора 1, 2 гармонических колебаний с частотами ƒ, ƒ, которые соединены через последовательно включенные сумматор 3, импульсный модулятор 4, согласующий усилитель 6, усилитель мощности 7, режекторный фильтр 8 с излучающим электроакустическим преобразователем 9, функционирование как импульсного модулятора 4 через синхронизатор 5, так и генераторов 1, 2 гармонических колебаний осуществляется посредством связей с блоком управления 24, дополнительный выход сумматора 3 соединен через последовательно включенные амплитудный детектор 21, фильтр нижней частоты 22 с сигнальным входом частотомера 23, управляющий вход которого также связан с блоком управления 24. Излучающий электроакустический преобразователь 9 с резонансной частотой ƒ, в полосе пропускания которого находятся частоты ƒ, ƒ гармонических колебаний как первого, так и второго генераторов, связаны соотношением (ƒ+ƒ)/2=ƒ, функционируя в режиме параметрического излучения (РПИ), акустически связан через водную среду 10 распространения с электроакустическими приемными преобразователи: образцовым 12 и испытуемым 13. Преобразователи 9, 12, 13 размещены в заглушенном бассейне 11, оборудованный координатной системой 20 для их установки и перемещения, причем последняя имеет механический привод от самописца 19. Приемный тракт устройства содержит последовательно включенные аналоговый ключ 14 для поочередной коммутации выходов приемных преобразователей 12, 13 через усилитель 15, блок фильтров 16, стробирующий блок 17, выход которого соединен со входами как осциллографа 18, так и самописца 19, причем, выход последнего механически связан с координатной системой 20. Функционирование как аналогового ключа 14, так и регистрирующей аппаратуры - осциллографа 18 и самописца 19 осуществляется посредством связей с блоком управления 24. Управляющие входы стробирующего блока 17, осциллографа 18 и самописца 19 соединены с соответствующими выходами синхронизатора 5. Работа устройства для градуировки электроакустических преобразователей (фиг. 1) происходит следующим образом. Генераторы 1 и 2 вырабатывают гармонические сигналы с частотами ƒ, ƒ, поступающие на два входа сумматора 3, который приводится в рабочее состояние оператором по команде с блока управления 24. С первого выхода сумматора 3 полученный бигармонический электрический сигнал поступает через амплитудный детектора 21, фильтр низкой частоты 22 на вход частотомера 23 (контроль значения частоты разностного сигнала), а со второго выхода - на вход импульсного модулятора 4, который управляется оператором по команде с блока управления 24 через синхронизатор 5. В результате на выходе импульсного модулятора 4 получаем радиоимпульс с бигармоническим заполнением, который через согласующий усилитель 6, усилитель мощности 7, режекторный фильтр 8 поступает на электроакустический преобразователь 9. Работоспособность электроакустического преобразователя 9 основана на пьезоэлектрическом эффекте, причем, он используется в полосе пропускания, т.е. в диапазоне частот вблизи резонанса его механической системы с частотой (ƒ+ƒ)/2=ƒ=ω/2π. Электроакустический преобразователь 9 в необходимом диапазоне частот ƒ, ƒ создает в водной среде 10 бигармоническое звуковое поле, проявляющееся в возникновении областей сжатия и разряжения, которые распространяются со скоростью звука в направлении приемных пьезоэлектрических преобразователей: образцового 12 и градуируемого 13. Так как водная среда 10 обладает нелинейностью своих упругих характеристик осуществляется нелинейное взаимодействие мощных волн с частотами ƒ=ω/2π, ƒ=ω/2π в канале распространения, результатом которых является генерация акустических сигналов разностной F=ƒ-ƒ частоты, т.е. электроакустический преобразователь 9 функционирует в режиме параметрического излучения. Нелинейное взаимодействие мощных волн при их распространении в воде 10 позволяет разделить в пространстве процессы преобразования электрической энергии в акустическую (электроакустический преобразователь 9) и формирования направленного излучения (объем воды 10, в котором взаимодействуют спектральные компоненты мощной бигармонической волны и распределены нелинейные источники сигнала разностной частоты). Амплитуда звукового давления сигнала разностной частоты на акустической оси электроакустического преобразователя 9 плавно возрастает по мере удаления от него, достигая максимума на расстоянии, соизмеримом с его границей ближней зоны q, где  - размер апертуры электроакустического преобразователя 9, ω=2π×ƒ - циклическая частота, с - равновесное значение скорости распространения звука в воде.
1
2
2
1
Расстояние от электроакустического преобразователя 9 до максимума называют областью насыщения: в ней происходит наиболее интенсивная перекачка энергии бигармонической волны в сигнал разностной частоты, за областью насыщения поглощение и дифракция ослабляют процесс нелинейного взаимодействия спектральных компонент бигармонической волны и амплитуда звукового давления сигнала разностной частоты начинает также плавно спадать. Угловая расходимость формирующегося сигнала разностной частоты практически совпадает с таковой для бигармонической волны (по основному лепестку ХН излучающего электроакустического преобразователя 9), причем, уровень бокового излучения пренебрежимо мал за счет того, что для внеосевых направлений нелинейное изменение упругих свойств воды 10 не происходит. В результате этого при небольшой апертуре электроакустического преобразователя 9 удается получить излучение низкочастотных сигналов в пределах небольших телесных углов при полном отсутствии бокового поля. Полигармонический ультразвуковой сигнал, содержащий спектральные составляющие с частотами ƒ, ƒ, F=ƒ-ƒ распространяется в воде 10, заполняющей заглушенный бассейн 11, снабженный координатной системой 20 для крепления и перемещения приемных пьезоэлектрических преобразователей: образцового 12 и градуируемого 13. Приемные пьезоэлектрические преобразователи обладают чувствительностями по звуковому давлению - известной  и неизвестной  соответственно, и являются приемниками звукового давления, расположены рядом и могут быть поочередно установлены (без «затенения») на акустической оси излучающего электроакустического преобразователя 9. В соответствии с методом замещения на акустической оси излучающего электроакустического преобразователя 9 в объеме заглушенного бассейна 11, оборудованного координатной системой 20 для установки и перемещения преобразователей, сначала располагают образцовый приемный преобразователь 12. При замещении образцового преобразователя градуируемым 13 сохраняется единство места и полная идентичность используемой аппаратуры. Воздействие звукового поля на приемные: как образцовый 12, так и градуируемый 13 - преобразователи в соответствии с прямым пьезоэффектом приведет к появлению переменного электрического сигнала на их выходах. Таким образом, образцовый 12 и градуируемый 13 электроакустические преобразователи поочередно преобразуют достигающие их ультразвуковые импульсы в электрические сигналы с амплитудами  и , которые через аналоговый ключ 14 для коммутации приемных преобразователей по команде с блока управления 24 поступают на вход приемного тракта, в котором после усиления (усилитель 15), фильтрации (блок фильтров 16) и стробирования (стробируемый блок 17) фиксируются осциллографом 18 и самописцем 19. Управляющие входы стробируемого блока 17, осциллографа 18 и самописца 19 соединены с дополнительным выходом синхронизатора 5, причем, предусмотрен механический привод от самописца 19 к координатной системе 20 бассейна 11. Данное устройство позволит исследователю для необходимых спектральных составляющих (ƒi) частотного диапазона измерений рассчитать значения чувствительности по звуковому давлению в режиме приема для градуируемого электроакустического преобразователя 13
0
0
Сопоставление соответствия критерию «монотонности изменения» экспериментальных графиков для диапазона (0.2-25) кГц, отображающих зависимости частотных характеристик чувствительностей в режиме излучения для прототипа (фиг. 2) и заявляемого устройства (фиг. 3) показывает следующее. Для обоих графиков на вертикальной оси относительные уровни формирующегося звукового давления Р/P отложены в децибелах (P=1 Па), на горизонтальной оси для значений частот используется логарифмический масштаб. В данном диапазоне функционирование устройства по прототипу в требуемой полосе частот обусловлено применением двух штатных электроакустических преобразователей: 1 Электродинамического НЧИ - поддиапазон частот (0,2 - 2,5) кГц с габаритными размерами (500 × 300) мм; 2) пьезокерамического ВЧИ - поддиапазон частот (2,5 - 25) кГц с габаритными размерами (200 × 150) мм (на рис. 3 границы поддиапазонов отмечены вертикальными штриховыми линиями). Отметим, что в прототипе для осуществления проверки предусмотрен еще и третий штатный электроакустический преобразователь - пьезокерамический ВЧИ для поддиапазона частот (25 - 100) кГц с габаритными размерами (100 × 40) мм.
Как следует из фиг. 2, участки частотной характеристики как НЧИ, так и ВЧИ в поддиапазонах частот (0,2 - 2,5) кГц и (2,5 - 25) кГц имеют существенную изрезанность и немонотонность приращения (динамический диапазон до 48 дБ, т.е. ~ 250 раз): для НЧИ - до 18 дБ (~ 8 раз) и для ВЧИ -до 30 дБ (~ 31 раз). Осуществление измерений в техническом решении прототипа с такими источниками затруднительно, что не может не отражаться на качестве градуировки. Для заявляемого устройства данный критерий удовлетворительно выполнен. Из фиг. 4 видно, что частотная характеристика монотонно возрастает (динамический диапазон до 30 дБ, т.е. ~ 31 раз), не имея резких флуктуаций, что является существенным преимуществом в сравнении с прототипом, приводя к повышению точности измерений.
0
Сопоставим на соответствие критерию «минимальности как числа, так и уровней добавочных лепестков в характеристике направленности», экспериментальные графики угловой зависимости звукового давления (в прямоугольной системе координат), развиваемого в режиме излучения для прототипа (фиг. 4, ВЧИ, три кривые: 1 - 5 кГц, 2 - 20 кГц, 3 - 25 кГц) и предлагаемого устройства (фиг. 5, четыре кривые: 1 - 5 кГц, 2 - 20 кГц, 3 - 25 кГц, 4 - 100 кГц). Для графиков на вертикальной оси относительные уровни регистрируемых гидрофоном напряжений U/U отложены в децибелах, на горизонтальной оси нанесены значения угла отклонения акустической оси излучателя от направления на гидрофон. Как следует из фиг. 4, с ростом частоты излучения ВЧИ постепенно выходит за пределы соответствия данному критерию: кривая 1 - на частоте 5 кГц в диапазоне (-150° ÷ +150°) излучение в пределах основного лепестка (динамический диапазон ~ 23 дБ, угловая ширина по уровню (-3 дБ) около 60°), добавочные лепестки отсутствуют, кривая 2 - на частоте 20 кГц в диапазоне (-45° ÷ +30°) излучение в пределах несимметричного основного лепестка (динамический диапазон ~ 23 дБ, угловая ширина по уровню (-3 дБ) около 20°), добавочные лепестки появились, причем, ультразвуковое боковое поле слева и справа от акустической оси также несимметрично, кривая 3 - на частоте 25 кГц в диапазоне (-45° ÷ +50°) излучение в пределах несимметричного основного лепестка (динамический диапазон ~ 45 дБ, угловая ширина по уровню (-3 дБ) около 16°), добавочные лепестки существенны (до 30 дБ), ультразвуковое боковое поле слева и справа от акустической оси существенно несимметрично. Таким образом, полностью данному критерию прототип соответствует с ВЧИ на частоте 5 кГц. Как следует из фиг. 5, рост частоты излучения в предлагаемом устройстве не приводит к выходу за пределы соответствия данному критерию: кривые 1, 2, 3, 4 - на частотах 5 кГц. 20 кГц, 25 кГц, 100 кГц в диапазоне (-60° ÷ +60°) излучение в пределах одного и того же по величине основного лепестка (динамический диапазон ~ 30 дБ, угловая ширина по уровню (-3 дБ) также практически одинакова и составляет около 16°), добавочные лепестки отсутствуют на частотах 20 кГц, 25 кГц, 100 кГц (кривые 2, 3, 4), несущественные симметричные добавочные лепестки с уровнем (- 20 дБ) наблюдаются в направлениях 75° слева и справа относительно акустической оси. Таким образом, для заявляемого устройства данный критерий также удовлетворительно выполнен.
0
ср
Для практической оценки рассмотренных выше преимуществ была проведена тестовая градуировка гидрофона (∅50 мм, ЦТС-19) в диапазоне частот (5 ÷ 25) кГц на дискретных аттестованных точках третьоктавнош ряда с помощью как предлагаемого устройства, так и устройства по прототипу (см. ГОСТ 12090 - 80. Частоты для акустических измерений. Предпочтительные ряды http://docs.cntd.ru/document/1200016367 дата обращения 1.12.2019). Метрологическая обработка результатов многократно повторенных измерений для каждой рабочей точки заключалась в расчете средней квадратической погрешности серий измерений  или в децибелах σ=20lg(1+σ/А),
i
0
где  - среднее значение измеряемой чувствительности гидрофона в режиме приема, A - чувствительность гидрофона в режиме приема при i-м измерении, n - число измерений. Оказалось, что использование заявляемого устройства в сравнении с прототипом позволило снизить среднюю квадратическую погрешность σ многократных измерений: для прототипа она составила 0,6 дБ, а для заявляемого устройства - 0,4 дБ, т.е. удалось существенно увеличить точность измерений.
Испытания макета заявляемого устройства для градуировки электроакустических преобразователей позволили установить следующие технические характеристики:
диапазон рабочих сигналов разностной частоты - (2 ÷ 300) кГц;
опорный уровень звукового давления 15 Па на расстоянии 1 м на разностной частоте 5 кГц;
ширина основного лепестка характеристики направленности в диапазоне указанных выше рабочих сигналов разностной частоты - (30±1) град;
параметры апертуры излучающего электроакустического преобразователя - резонансная частота 1,014 МГц, диаметр 40 мм, слабовогнутый или резонансная частота 2,03 МГц, диаметр 30 мм, слабовыпуклый,
длина зоны дифракции - 5 см или 4 см;
зона сферического распространения - 0,5 м или 0,3 м;
режим работы - импульсный; длительность импульса - (0,06 ÷ 12) мс; частота следования импульсов - (0,5 ÷ 400) Гц; назначение -гидроакустические измерения.
Заявляемое устройство для градуировки электроакустических преобразователей может найти широкое применение в области акустических измерений и гидроакустики.
Ссылочные обозначения.
1, 2. Генераторы гармонических колебаний,
3. Сумматор
4. Импульсный модулятор
5. Синхронизатор
6. Согласующий усилитель
7. Усилитель мощности
8. Режекторный фильтр
9. Излучающий электроакустический преобразователь
10. Водная среда
11. Заглушенный бассейн
12. Образцовый электроакустический приемный преобразователь
13. Градуируемый электроакустический приемный преобразователь
14. Аналоговый ключ приемного тракта
15. Усилитель приемного тракта
16. Блок фильтров
17. Стробирующий блок
18. Осциллограф
19. Самописец
20. Координатная система для установки и перемещения преобразователей,
21. Амплитудный детектор
22. Фильтр низкой частоты
23. Частотомер
24. Блок управления