СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПО ПОЛЮ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ПРИЕМНИКА
SENSITIVITY DETERMINATION METHOD USING HYDROACOUSTIC RECEIVER FIELD

Изобретение относится к акустическим измерениям и может быть использовано для градуировки (определения чувствительности) по полю векторного гидроакустического приемника.
К настоящему времени благодаря совершенствованию конструкции векторных гидроакустических приемников частотный диапазон векторно-фазовых измерений удалось расширить до 12,5 кГц, что потребовало соответствующего расширения частотного диапазона и разработки новых методов градуировки векторных приемников.
Известен способ градуировки векторного гидроакустического приемника в поле стоячей звуковой волны, которое создают в вертикальном столбе жидкости, колеблющемся в жесткой акустической камере, имеющей вид открытой сверху трубы [1, 2].
Недостаток известного способа состоит в том, что его возможности ограничены частотой 1-2 кГц (так называемой критической частотой камеры). Попытки выполнить в камере градуировки на более высоких частотах приводят к значительному увеличению погрешности результата, что обусловлено как усложнением математической модели камеры, так и возрастающими с частотой искажениями звукового поля устанавливаемым в камеру градуируемым векторным приемником с его системой крепления.
За прототип принят способ определения чувствительности гидроакустического приемника звукового давления методом сравнения в свободном поле, который применяют на частотах от единиц килогерц и выше для градуировки гидрофона [3, 4]. Метод сравнения состоит в том, что градуируемый приемник и опорный гидрофон с известной чувствительностью подвергают воздействию звуковых давлений, одинаковых или связанных известной зависимостью.
H
PR
PH
PR
PH
R
Прототип заключается в расположении в измерительном бассейне с водой излучателя Р, опорного гидрофона Η с известной чувствительностью M и градуируемого приемника R при известных расстояниях r между излучателем и приемником и r между излучателем и опорным гидрофоном достаточно больших для формирования на приемнике и опорном гидрофоне локально-плоской сферической звуковой волны излучателя, возбуждении излучателя электрическим сигналом, измерении тока через излучатель и выходных напряжений приемника и опорного гидрофона, определении передаточных импедансов по полю Z пары излучатель - градуируемый приемник и Z пары излучатель - опорный гидрофон, определении чувствительности по полю M градуируемого гидроакустического приемника к звуковому давлению по формуле
Недостатком прототипа является то, что способ позволяет определить только чувствительность к звуковому давлению (скалярной величине гидроакустического поля), поэтому его возможности сегодня ограничены градуировкой гидрофонов (гидроакустических приемников звукового давления).
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является расширение возможностей взятого за прототип способа определения чувствительности по полю гидроакустического приемника за счет обеспечения возможности градуировать по полю гидроакустический векторный приемник (приемник градиента и биградиента звукового давления, колебательной скорости и ускорения и т.п.) в расширенном до 12,5 кГц и выше частотном диапазоне.
H
PR
PH
PR
PH
R
Данный технический результат достигают за счет того, что в известном способе, заключающемся в расположении в измерительном бассейне с водой излучателя P, опорного гидрофона H с известной чувствительностью M и градуируемого приемника R при известных расстояниях r между излучателем и приемником и r между излучателем и опорным гидрофоном достаточно больших для формирования на приемнике и опорном гидрофоне локально-плоской сферической звуковой волны излучателя, возбуждении излучателя электрическим сигналом, измерении тока через излучатель и выходных напряжений приемника и опорного гидрофона, определении передаточных импедансов по полю Z пары излучатель - градуируемый приемник и Z пары излучатель - опорный гидрофон, определении чувствительности по полю M градуируемого гидроакустического приемника к звуковому давлению по формуле
<mrow><msubsup><mi>M</mi><mi>R</mi><mo>'</mo></msubsup></mrow>
чувствительность
по полю гидроакустического приемника к векторным величинам гидроакустического поля определяют по формуле
где  для гидроакустического приемника градиента звукового давления,  для приемника колебательной скорости частиц воды, k=2π/λ - волновое число, λ - длина звуковой волны, c - скорость звука в воде, ρ - плотность воды).
H
PH
PR
Изобретение поясняется чертежом, где представлена схема расположения преобразователей в измерительном бассейне при градуировке гидроакустического векторного приемника. Гидрофон H с известной частотной характеристикой чувствительности M (опорный гидрофон) и векторный гидроакустический приемник R располагают в измерительном бассейне на одной прямой с излучателем Р. Расстояния r между гидрофоном и излучателем и r между векторным приемником и излучателем выбирают такими, чтобы падающую на гидрофон и приемник сферическую волну излучателя можно считать локально плоской.
Возможность градуировки по полю векторного приемника методом сравнения с опорным гидрофоном поясним на примере приемника градиента звукового давления (ПГД).
PR
PH
sph
PR
sph
PH
В поле сферической волны звуковое давление пропорционально электрическому току через излучатель и изменяется обратно пропорционально расстоянию до излучателя. В точках, удаленных на расстояния r и r от излучателя, звуковые давления P(r) и P(r) связаны соотношением
PR
PH
где I и I - ток через излучатель при приеме сигнала излучателя ПГД и опорный гидрофон соответственно.
PR
sph
PR
При этом на расстоянии r от излучателя модуль градиента звукового давления  связан со звуковым давлением P(r) соотношением [1]:
где  k=2π/λ - волновое число, λ - длина звуковой волны, c - скорость звука в воде).
R
H
Для выходных напряжений ПГД U и опорного гидрофона U можем записать:
R
H
где M и M - соответственно чувствительность ПГД и опорного гидрофона.
H
В предположении, что чувствительность опорного гидрофона M известна, и учитывая соотношение (1) для звуковых давлений, из (2) и (3) получим выражение для чувствительности ПГД:
<mrow><msub><mi>Z</mi><mrow><mi>P</mi><mi>R</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mi>R</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>P</mi><mi>R</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>Z</mi><mrow><mi>P</mi><mi>H</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>U</mi><mi>H</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>P</mi><mi>Y</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
где
и
- передаточные импедансы пары излучатель - ПГД и пары излучатель - опорный гидрофон соответственно.
Гидроакустический векторный приемник градуируют, основываясь на устанавливаемой теоретически и подтверждаемой экспериментально связи между звуковым давлением и измеряемой приемником векторной величиной гидроакустического поля, реализуемого в эксперименте. При измерениях в море векторный приемник находится на достаточном удалении от источника звука, и на него падает плоская бегущая звуковая волна. Поэтому при градуировке векторного приемника определяют чувствительность по полю, пересчитывая полученный результат к условиям, как если бы приемник находился в поле плоской бегущей звуковой волны.
Литература
1. Гордиенко В.А. Векторно-фазовые методы в акустике. М.: Физматлит, 2007. 480 с.
2. В.А. Гордиенко, Б.И. Гончаренко, С.С. Задорожный, М.В. Старкова. Расширение диапазона градуировки векторных приемников в неоднородном поле измерительных камер в сторону высоких частот // Акуст. журн. 2012, том 58, №5, с. 623-627.
3. Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения. / Пер. с англ. под ред. А.Н. Голенкова. М.: Мир. 1974.
4. МЭК 60565:2006 Гидроакустика. Гидрофоны. Калибровка в частотном диапазоне от 0,01 Гц до 1 МГц (IEC 60565:2006 Underwater acoustics - Hydrophones - Calibration in the frequency range 0,01 Hz to 1MHz).