СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МОЩНОСТИ ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF HYDROACOUSTIC EMITTER POWER MEASUREMENT AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для определения мощности гидроакустических излучателей разного типа, входящих в состав гидролокаторов, систем гидроакустической связи, телеметрии, комплексов гидроакустического телеуправления и т.д., в реальных условиях эксплуатации.
Известен способ градуировки гидроакустических излучателей по чувствительности путем использования образцового измерительного гидрофона (приемника гидроакустических сигналов) [Л1, стр. 38…40].
u
а
u
Образцовый гидрофон устанавливается в среде распространения (воде) на калиброванном расстоянии от контролируемого излучателя (не менее 1 м). В процессе градуировки с использованием дополнительной измерительной аппаратуры, измеряется отклик образцового гидрофона на тестовый сигнал гидроакустического излучателя, по которому рассчитывается чувствительность излучателя S. Поскольку чувствительность излучателя есть отношение излучаемой гидроакустической мощности Р к вызвавшему ее напряжению возбуждающего электрического сигнала U, то по найденному значению S и известному значению U можно определить мощность гидроакустического сигнала излучателя
a
u
P=S⋅U.
Для диагностики гидроакустических излучателей в реальных условиях их эксплуатации с целью контроля мощности такой способ неприемлем. Кроме того, измерительная установка, реализующая такой способ, громоздка [Л1, с. 159, рис. 3.26].
Известен способ измерения мощности низкочастотного гидроакустического излучателя с внутренней воздушной полостью по патенту на изобретение [Л2]. Особенностью такого способа является то, что измерительный гидрофон устанавливается во внутреннюю воздушную полость контролируемого излучателя, который погружают в жидкость. Измерительный гидрофон, находясь в воздушной полости внутри контролируемого излучателя, фиксирует воздушный акустический сигнал, который значительно слабее гидроакустического сигнала излучателя, поскольку воздух как среда распространения обладает существенно меньшими, чем вода, плотностью и упругостью, поэтому и чувствительность такого способа низкая. Кроме того, способ применим только для гидроакустических излучателей больших размеров, имеющих внутри себя воздушные полости с объемом, достаточным для размещения измерительного гидрофона. Поскольку размеры излучающей поверхности излучателя соизмеримы с длиной волны излучаемого сигнала, то это в основном длинноволновые, т.е. низкочастотные излучатели диапазона до 1 кГц.
Известен способ измерения мощности гидроакустического излучателя, и устройство для его осуществления по патенту на изобретение [Л3] в котором установленным на излучающей поверхности акселерометром измеряют колебательное ускорение излучающей поверхности излучателя, колеблющейся под влиянием тестового сигнала, а мощность определяется по формуле
2
где, А - среднеквадратическое значение ускорения в м/с, измеренное акселерометром;
ω=2πF (F - частота излучения в Гц, для конкретного излучателя, она является заданной);
W
6
2
R - механическое сопротивление нагрузки на излучатель со стороны жидкости (для воды 1,5⋅10 кг/мс), умноженному на площадь излучающей поверхности излучателя.
Недостатки прототипа. Этот способ измерения мощности предполагает вмешиваться в конструкцию излучателя, устанавливая на поверхности акселерометр, а также применять тестовый синусоидальный сигнал, отличающийся от реальных сигналов на которых должен работать гидроакустический излучатель.
Прототипом устройства, в котором может быть реализован предлагаемый способ, является установка для автоматической градуировки гидроакустических излучателей с помощью образцового гидрофона [Л 1, с. 159, рис. 3.26].
Установка содержит:
- канал передачи, в котором сигнал генератора, проходя через предварительный усилитель, модулятор, усилитель мощности, схему согласования импедансов, поступает на контролируемый гидроакустический излучатель, излучающий акустический сигнал в воду;
- канал приема, в котором сигнал, принятый образцовым гидрофоном из воды, через усилители и фильтры, поступает на регистрирующие устройства;
- дополнительные приборы для измерения параметров электрических сигналов и устройства синхронизации.
Установка измеряет чувствительность контролируемого излучателя в диапазоне частот, но, как указывалось выше, позволяет косвенным путем рассчитать и акустическую мощность излучателя. Однако, она очень сложна и громоздка, использование такой установки для контроля работоспособности гидроакустических излучателей, установленных на объектах, в процессе их диагностики в реальных условиях эксплуатации, практически невозможно.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в возможности измерения в дальней зоне акустической мощности различных типов гидроакустических излучателей, в том числе и установленных на подвижных объектах, в реальных условиях их эксплуатации, с использованием рабочего сигнала излучателя, без вмешательства в его конструкцию и в создании устройства для реализации данного способа. Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 приведена схема способа, на фиг. 2 устройство, его реализующее. Для схемы способа фиг. 1:
1 - калиброванный гидрофон;
2 - дополнительный гидрофон;
3 - расстояние между излучателем и вторым гидрофоном;
4 - гидроакустический излучатель;
5 - расстояние между излучателем и калиброванным гидрофоном;
6 - аппаратура приема и обработки;
7 - аппаратура формирования сигнала для излучения излучателем.
Для устройства фиг. 2:
1 - калиброванный гидрофон;
2 - дополнительный гидрофон;
8 - аналого-цифровой преобразователь;
9 - аналого-цифровой преобразователь;
10 - процессорный блок.
2
Указанный технический результат достигается тем, что в предложенном способе измерения мощности гидроакустического излучателя, заключающимся в том, что измерение мощности гидроакустического излучателя осуществляется следующим образом. С морской платформы или с судна излучатель 4 самостоятельно или в составе необитаемого подводного аппарата погружают в жидкость на глубину на которой предполагают измерить его акустическую мощность. С другой части судна на такую же глубину в дальней зоне, определяемой по формуле: r1>D/λ, где: от r1 - расстояние между геометрическим центром излучателя и измерительным гидрофоном; D - максимальный размер излучателя;
λ - длина волны излучаемого сигнала, на расстоянии 5 погружают калиброванный гидрофон 1. От аппаратуры формирования сигнала 7, которая может находится как на судне, так и на необитаемом подводном аппарате, на излучатель 4 подают электрический сигнал, который преобразуется в гидроакустический сигнал. В калиброванном гидрофоне 1 давление жидкости, вызванное гидроакустическим сигналом преобразуется в электрический сигнал, который по кабелю подают на аппаратуру приема и обработки 6, расположенную на судне. На известном расстоянии от излучателя 3 которое может составлять 1-2 метра помещают дополнительный второй гидрофон 2. Расстояние 3 выбирается из возможности жесткой фиксации гидрофона 2 относительно акустического центра излучателя 4. Электрический сигнал с дополнительного гидрофона по кабелю подают на аппаратуру приема и обработки 6. В аппаратуре приема и обработки производят измерение напряжения сигнала с калиброванного гидрофона и измеряют задержку между сигналами принятыми гидрофонами. По измеренной задержке (разности фаз) сигналов и известной скорости распространения звука в жидкости определяют и контролируют расстояние между излучателем и калиброванным гидрофоном, которое может меняться в зависимости от глубины погружения, подводных течений, положения и дрейфа судна и т.д.
Измеряемая задержка между сигналами принятыми гидрофонами
гф1
гф2
где: Т=r1/c; Т=r2/с, времена задержки сигналов принимаемых гидрофонами относительно излученного сигнала;
r1, r2 - расстояние от излучателя до первого и второго гидрофонов, соответственно;
с - скорость распространения звука в жидкости.
гф1
гф2
После подстановки в (1) значений Т и Т
откуда
Таким образом, измеряя задержку между сигналами, принятыми гидрофонами однозначно определяем расстояние между излучателем и калиброванным гидрофоном.
Акустическую мощность излучателя определяют по формуле:
2
W[BT]=4πР/Rρс,
3
где: ρ - плотность воды [кг/м];
g
Р=Ur1/γ - приведенное к одному метру звуковое давление [Па];
g
где: U - напряжение на выходе гидрофона [мкв];
γ - чувствительность гидрофона [мкв/Па];
R - коэффициент концентрации. Для изотропного излучателя R=1.
Предлагаемое устройство, состав которого показан на фиг. 2, для осуществления способа измерения мощности гидроакустического излучателя работает следующим образом. Излучаемый гидроакустическим излучателем сигнал на калиброванном гидрофоне 1 и дополнительном гидрофоне 2, создает давление жидкости которое преобразуется в электрические сигналы. Каждый из этих сигналов по электрическим кабелям передается на входы двух аналого-цифровых преобразователей 8 и 9, выходы которых по шине данных соединены с процессорным блоком 10. В качестве процессорного блока может быть использован микропроцессор, ЭВМ, или персональный компьютер. В процессорном блоке реализуют алгоритмы измерения напряжения с калиброванного гидрофона, измерения времени задержки (разности фаз) между сигналами с калиброванного и дополнительного гидрофонов, расчета расстояния между излучателем и калиброванным гидрофоном, расчета акустической мощности излучателя.
Примененный в способе измерения мощности гидроакустического излучателя и устройстве для его осуществления режим измерения напряжения калиброванного гидрофона, размещенного в дальней зоне от излучателя и временной задержки сигналов калиброванного гидрофона и дополнительного гидрофона, который расположен на фиксированном расстоянии от излучателя, позволит проводить измерения акустической мощности излучателей разнообразных конструкций, а также излучателей, расположенных на подводных аппаратах в реальных условиях эксплуатации на глубинах их функционирования. Измерения проводят без вмешательства в конструкцию излучателей, с использованием рабочего сигнала излучателя и на глубинах, где слабо выражены дестабилизирующие факторы и низкий уровень окружающего шума.
Источники информации.
1. Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения. М., Мир. 1974.
2. Патент Российской Федерации RU №1140571 С, 27.10.1995.
3. Патент Российской Федерации RU №2492431 С1, 08.02.2012.