Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Передаточная функция бассейна и проблемы, препятствующие её получению 14
1.1 Обеспечение условий свободного поля при градуировке гидроакустического приёмника 14
1.2 Четырёхполюсная модель пары излучатель-приёмник в реверберационном поле лабораторного бассейна 17
1.3 Экспериментальное определение передаточной функции бассейна 20
1.4 Измерение передаточного импеданса пары излучатель-приёмник в реверберационном звуковом поле 22
1.5 Проблемы использования ЛЧМ сигнала для определения ПФБ 25
1.6 Измерение передаточного импеданса в реверберационном поле широкополосного сигнала
1.7 Анализ применимости методов 32
1.8 Выводы 32
Глава 2 Программно-аппаратная реализация метода СКВУ для градуировки в шумовом реверберационном поле бассейна 34
2.1 Выбор метода для измерения ПФБ 34
2.2 Выбор сигнала для определения ПФБ 36
2.3 Измерительные процедуры метода СКВУ в шумовом реверберационном поле лабораторного бассейна 38
2.4 Программно-аппаратный комплекс 39
2.5 Влияние ограничения, налагаемого частотно-временным соотношением неопределённостей 46
2.6 Выводы 49
Глава 3 Исследование программно-аппаратного комплекса в шумовом реверберационном звуковом поле бассейна 50
3.1 Характеристики излучателей и приёмников 50
3.2 Результаты исследований шумового реверберационного поля в бассейнах ГЭТ 55-2011 54
3.3 Результаты испытаний программно-аппаратного комплекса 57
3.4 Практические замечания 64
3.5 Временная обеспеченность бассейна 65
3.6 Выводы 66
Глава 4 Использование передаточной функции бассейна для восстановления сигнала, искажённого реверберацией 69
4.1 Восстановление спектра шумового сигнала 69
4.2 Восстановление формы непрерывного сигнала в установившемся режиме приёма 84
4.3 Восстановление формы импульсного звука 89
4.4 Выводы 92
Заключение 94
Литература
- Экспериментальное определение передаточной функции бассейна
- Измерение передаточного импеданса в реверберационном поле широкополосного сигнала
- Измерительные процедуры метода СКВУ в шумовом реверберационном поле лабораторного бассейна
- Результаты испытаний программно-аппаратного комплекса
Введение к работе
1.1 Актуальность работы
Гидроакустические эталоны, начиная с созданного во ВНИИФТРИ под руководством А.Н. Голенкова Государственного первичного эталона ГЭТ 55-74, воспроизводят и передают единицу звукового давления в водной среде на частотах третьоктавного ряда. Для реализации условий свободного поля применяют технику временной селекции тонального импульса. Совершенствование государственного эталона и поверочной схемы было нацелено на расширение частотного диапазона и повышение точности градуировки гидрофонов, используемых при измерениях уровней подводного шума (УПШ).
Развитие технологий кораблестроения уже к концу 90-х годов вынудило уменьшить погрешность измерения шума корабля до 3-4 дБ. Возросшая интенсивность судоходства вызвала необходимость акустического мониторинга и прогнозирования шумового загрязнения моря с погрешностью не более 3 дБ с учётом неопределённости входных параметров и распространения звука. Это потребовало:
- передавать единицу звукового давления гидроакустическому приёмнику, а не
входящему в его состав гидрофону;
- измерять чувствительность приёмника в полосе частот, используемой при
измерениях подводного шума, а не чувствительность на частоте по МЭК 60565. Причина –
необходимость учёта влияния искажений звукового поля конструкцией
гидроакустического приёмника, окружающей гидрофон (система вывешивания или
носитель гидрофона).
При нормах на погрешность измерений УПШ 4-6 дБ приемлемыми считались экспертные оценки влияния искажений, вносимых конструкцией приёмника, которые получали на основании косвенных данных (например, используя математическую модель). При современных требованиях к погрешности измерений уровней излучаемого коммерческим судном подводного шума 1,5-3 дБ (ANSI S12.64-2009) надёжность таких экспертных оценок оказывается недостаточной. Потребовались новые измерительные технологии, которые позволяли бы получать метрологические характеристики гидроакустического приёмника, подходящие для измерения требуемого параметра сигнала, излучаемого морским объектом.
Одним из шагов в этом направлении стало предложение определять при градуировке и использовать при измерении УПШ чувствительность приёмника в третьоктавных полосах частот. Реверберационные искажения звукового поля не позволяют получать чувствительность в полосе частот на шумовом сигнале прямыми измерениями в контролируемых условиях лабораторного бассейна. Разработанный Исаевым А. Е. и Матвеевым А. Н. метод градуировки на линейно частотно модулированных (ЛЧМ) сигналах позволил определять подробную частотную характеристику и по ней рассчитывать чувствительность приёмника в третьоктавных частотных полосах. Этот подход получил международное признание.
По данным Национальной Физической Лаборатории Великобритании
неравномерность измеренных по МЭК 60565 частотной зависимости чувствительности и характеристик направленности автономного регистратора звуковых сигналов AURAL M2 может достигать 17 дБ в пределах третьоктавной полосы. Использование таких характеристик приводит к результатам, неприемлемым с точки зрения современных требований к точности измерений уровня подводного шума. Неравномерность характеристик того же регистратора в третьоктавных частотных полосах немногим превышает 2 дБ, что даёт возможность измерений уровня шума корабля по классу «B» (ANSI S12.64-2009).
Градуировка в полосах частот позволяет тем же регистратором измерить уровни подводного шума значительно точнее, но не решает проблем, связанных с искажениями приёмником формы сигнала при измерениях параметров подводного шума, требуемых новыми международными стандартами и рекомендациями (пиковое/пик-пиковое значение
и экспозиция звукового события). Разработка нормативной базы на измерения параметров импульсного подводного звука (например, удара морского копра) обуславливает необходимость лабораторных исследований погрешности, вносимой гидроакустическим приёмником.
Дальнейшее уменьшение инструментальной погрешности измерений УПШ связано с решением задачи градуировки приёмника с использованием шумового сигнала, подобного излучаемому морским объектом. Реверберация звука в бассейне препятствует как выполнению такой градуировки, так и исследованиям метрологических характеристик приёмника с использованием импульсного звука. Например, при стандартной продолжительности окна данных 1 с частотное разрешение измерений подводного шума на морском полигоне составляет 1 Гц. Целесообразным является такое же частотное разрешение при градуировке. Однако сегодня частотное разрешение измерений по свободному полю в лабораторном бассейне ограничено величиной, обратной времени запаздывания в точке приёма волны, отражённой границами бассейна, что составляет 250 Гц и более для бассейна с минимальным размером 6 м. Это ограничение, накладываемое частотно-временным соотношением неопределённостей, не удаётся преодолеть в рамках традиционных подходов к реализации условий свободного поля при градуировке (временная селекция, спектрометрия временных задержек, гомоморфная постобработка и т.п.).
Реверберация звука искажает как энергетические характеристики, так и форму принимаемого сигнала, и является препятствием, которое ограничивает возможности метрологических работ в бассейне. Звукопоглощающие покрытия уменьшают размер рабочей зоны лабораторного бассейна и не позволяют в достаточной степени подавить реверберационную помеху при эталонных измерениях. Вследствие этого метрологически исследованным преимуществом шумового сигнала до сих пор оставалась возможность выполнения грубых прямых измерений чувствительности приёмника по диффузному полю, а применение импульсного звука для градуировки ограничивалось использованием короткого тонального импульса.
Расширение номенклатуры измеряемых параметров гидроакустического поля в современных международных стандартах и ужесточение требований к точности измерений требуют преодоления этих ограничений.
Таким образом разработка новых подходов к реализации условий свободного поля, позволяющих выполнять градуировку с требуемым частотным разрешением, использовать шумовые сигналы, подавлять реверберационные искажения формы и спектра сигнала, принимаемого в условиях лабораторного бассейна, становится актуальной задачей гидроакустических измерений и настоятельно требует своего решения.
1.2 Цель исследования
Разработка методов и средств, позволяющих выполнять градуировку
гидроакустического приёмника с использованием шумовых сигналов, подобных по форме и спектральному составу сигналам, излучаемым морскими объектами, и расширение на этой основе возможностей метрологических работ в измерительном бассейне.
1.3 Основная решаемая задача
Разработка, программно-аппаратная реализация и исследование метода градуировки
гидроакустического приёмника на шумовом сигнале, метода подавления искажений сигнала приёмника, обусловленных реверберацией звука в бассейне.
Поставленная задача потребовала решения ряда частных задач:
- разработать способ получения комплексной частотной зависимости передаточного
импеданса (ПИ) пары излучатель-приёмник в реверберационном звуковом поле при
излучении стационарного шума в незаглушенном бассейне;
- разработать алгоритм оценивания подробной частотной зависимости ПИ пары
излучатель-приёмник в свободном поле по частотной зависимости ПИ пары в шумовом
реверберационном звуковом поле и реализовать его в виде программно-аппаратного комплекса (ПАК);
исследовать возможности ПАК в диффузных зонах звуковых полей большого и малого бассейнов Государственного первичного эталона ГЭТ 55-2011 в диапазоне частот от 0,5 до 350 кГц при градуировке приёмников скалярной (звукового давления) и векторной (градиента звукового давления) величин гидроакустического поля на шумовом сигнале;
исходя из предложенного в работе представления пары излучатель-приёмник в реверберационном звуковом поле бассейна линейным четырёхполюсником, обосновать способ обработки частотной зависимости ПИ пары для получения передаточной функции бассейна (ПФБ), устанавливающей для точки приёма соотношение между звуковыми давлениями в реверберационном и свободном звуковом поле;
экспериментально получить ПФБ в большом и малом бассейнах ГЭТ 55-2011 и применить их для подавления реверберационных искажений спектра и формы стационарного шумового сигнала и импульсного звука;
- с использованием ПФБ промоделировать измерения гидроакустическим приёмным
устройством подводного шума по свободному полю в бассейне ГЭТ 55-2011.
1.4 Предмет исследований
Методы и средства градуировки гидроакустического приёмника по свободному полю в условиях, отягощённых реверберацией звука в бассейне.
1.5 Объект исследований
Эталонные установки для воспроизведения и передачи единицы гидроакустического давления в условиях незаглушенного лабораторного бассейна, установки для акустических испытаний приёмных систем средств измерений подводного звука.
1.6 Научная новизна полученных результатов
-
Впервые в метрологической практике разработан и реализован в виде ПАК метод градуировки гидроакустического приёмника по свободному полю при излучении шумового сигнала в незаглушенном бассейне.
-
Экспериментально подтверждена возможность в шумовом реверберационном поле (включая диффузную зону бассейна) измерять по свободному полю характеристики направленности, подробные амплитудно- и фазочастотные характеристики приёмников звукового давления и градиента звукового давления.
-
Впервые, на основе использования ПФБ, устанавливающей в точке приёма связь между звуковыми давлениями в свободном поле и реверберационном поле бассейна, разработана процедура измерений, позволяющая в реверберационном поле бассейна получать сигнал приемника по свободному полю с разрешением по частоте, определяемым продолжительностью подвергаемой анализу реализации установившегося реверберационного сигнала, а не временем прихода в точку приёма первого отражения.
-
Впервые предложен и реализован способ экспериментального определения ПФБ, основанный на обработке по методу скользящего комплексного взвешенного усреднения (СКВУ) комплексной частотной зависимости ПИ пары излучатель-приёмник, измеренной в реверберационном поле стационарного шумового сигнала.
-
Впервые предложено и экспериментально апробировано использование ПФБ для подавления реверберационных искажений спектра и формы стационарного шумового сигнала и импульсного подводного звука, что даёт возможность градуировать гидроакустический приёмник на сигналах, подобных измеряемым при его использовании по назначению.
1.7 Исследованные ограничения
Ограничения, накладываемые частотно-временным соотношением
неопределённостей:
- время установления сигнала в системе «эталонная установка-излучатель-приёмник»
должно быть меньше времени запаздывания отражённых звуковых волн относительно
прямой волны излучателя в месте расположения приёмника;
- частотные зависимости ПИ пары излучатель-приёмник в реверберационном
звуковом поле и по свободному полю должны быть измерены с одинаковой подробностью
и разрешением по частоте.
Практические ограничения использования ПФБ:
- эксперимент по измерению выходного напряжения приёмника по свободному полю
с использованием ПФБ требуется начинать с измерения самой ПФБ;
- реверберация представляет собой последовательный приход в точку приёма
отражённых волн;
- увеличение погрешности измерений на частотах с близкими к нулю значениями
ПФБ.
1.8 Положения, выносимые на защиту
1) Разработанный программно-аппаратный комплекс позволяет в шумовом
реверберационном звуковом поле бассейна, включая диффузную зону, реализовать условия
свободного поля для градуировки гидроакустического приёмника, измерять
характеристики направленности и подробные амплитудно- и фазочастотные
характеристики приёмника (расхождения с результатами, полученными тонально-
импульсным методом на ГЭТ 55-2011, не превосходят 0,4 дБ на частотах от 500 Гц до
380 кГц и 0,1 рад на частотах до 63 кГц включительно).
2) Разработанный программно-аппаратный комплекс позволяет с использованием
шумового сигнала в бассейне с минимальным размером 6 м выполнять градуировку
приёмника градиента звукового давления на частотах от 500 Гц до 30 кГц, измерять
характеристики направленности приёмника в диапазоне 40 дБ (расхождения с результатами
градуировки по звуковому давлению тонально-импульсным методом на ГЭТ 55-2011 не
превосходят 0,7 дБ).
3) Предложенный способ подавления реверберационных искажений позволяет обойти
ограничение на частотное разрешение измерений по свободному полю в бассейне,
определяемое запаздыванием отражений в точке приёма, и в бассейне ГЭТ 55-2011
получать на выходе приёмника подводного звука спектр сигнала по свободному полю с
частотным разрешением 1 Гц (соответствует разрешению полигонных измерений).
4) Применение ПФБ позволяет подавлять искажения сигнала приёмника,
обусловленные реверберацией звука в бассейне, и восстанавливать форму стационарного
шумового сигнала (различие среднеквадратических значений опорного и восстановленного
сигналов не более 3,3 %, корреляция не менее 0,99) и импульсного звука (различия пик-
пиковых значений не более 1,3 дБ, уровней звуковой экспозиции не более 0,1 дБ).
1.9 Практическая значимость
Разработанный ПАК обеспечил возможность:
- применять для поверки гидроакустического приёмника в лабораторном бассейне
сигналы, подобные излучаемым морским объектом;
оценивать погрешности измерения гидроакустическим приёмником пикового значения стационарного шумового и импульсного подводного звука;
выполнять градуировку в широком частотном диапазоне в ситуациях, когда ограничения тонально-импульсного метода и нестационарность ЛЧМ сигнала приводят к большим погрешностям и затратам времени.
ПАК включён в состав рабочего эталона МБ2, что позволило существенно расширить возможности эталона, повысить метрологическую надёжность результатов градуировки гидроакустического приёмника за счёт использования независимого метода измерений, сопоставлять экспертные оценки, основанные на использовании косвенных данных, с результатами прямых измерений.
Программный комплекс принят за прототип при разработке эталонных установок нового поколения для оснащения многофункционального метрологического бассейна ФГУП «ВНИИФТРИ» (завершение работ в 2020 г.).
На совещании технического комитета по акустике, ультразвуку и вибрации Еврамет (EURAMET TC-AUV) 2016 г. признано целесообразным на ключевых сличениях МКМВ CCAUV/W-K2 выполнить калибровку опорных гидрофонов в ФГУП «ВНИИФТРИ» на шумовом сигнале в дополнение к калибровке тонально-импульсным методом.
1.10 Внедрение результатов работы
Разработанный программно-аппаратный комплекс применён в рабочем эталоне МБ2
«Стенд для исследований влияния конструкции приёмных модулей на акустические характеристики измерительных гидрофонов» (регистрационный номер 3.1.ZZT.0032.2014), что подтверждено Актом о внедрении ФГУП «ВНИИФТРИ». Целевое назначение рабочего эталона: поверка, калибровка и проведение испытаний для целей утверждения типа средств измерений, исследования акустических свойств при разработке и производстве гидроакустических средств измерений специального назначения.
1.11 Личный вклад автора
Применил четырёхполюсную модель для описания пары излучатель-приёмник в
реверберационном звуковом поле бассейна, включив в его состав звено, учитывающее связь в точке приёма между звуковым давлением в свободном поле и звуковым давлением в реверберационном поле.
Предложил и экспериментально подтвердил возможность определять частотную характеристику четырёхполюсника в реверберационном звуковом поле стационарного шумового сигнала, используя в качестве критерия установившегося режима приёма время реверберации бассейна.
Разработал ПАК для градуировки в шумовом реверберационном звуковом поле, экспериментально исследовал и подтвердил качество реализации условий свободного поля при измерениях частотной зависимости ПИ.
Реализовал способ получения ПФБ по экспериментальной комплексной частотной зависимости ПИ пары излучатель-приёмник в реверберационном звуковом поле.
Применил ПФБ для подавления искажений спектра и формы сигнала, вызванных реверберацией звука в бассейне. Экспериментально подтвердил возможность подавлять с использованием ПФБ реверберационные искажения стационарного шума и импульсного звука.
1.12 Степень достоверности результатов
Достоверность полученных в работе результатов подтверждается:
- результатами сопоставления характеристик шумового реверберационного
звукового поля, создаваемого с использованием разработанного ПАК, и характеристик,
полученных другими авторами при аналогичных исследованиях;
- малыми (в пределах соответствующей составляющей бюджета неопределённостей
национальных эталонов на ключевых и международных сличениях) отклонениями от
закона уменьшения звукового давления с расстоянием в поле сферической волны при
измерениях с использованием ПАК в шумовом реверберационном поле;
- малыми расхождениями характеристик направленности и амплитудно-фазовых
характеристик гидроакустических приёмников, полученных тонально-импульсным
методом и в реверберационном поле шумового сигнала (не превосходящими погрешностей
ГЭТ 55-2011, метрологические характеристики которого подтверждены ключевыми
сличениями МКМВ CCAUV/W-K1);
- малыми расхождениями (оцененными по корреляции, разности пиковых,
среднеквадратических значений, значений экспозиции) очищенных от реверберационных
искажений спектров и временных реализаций шумового сигнала, от опорных,
рассчитанных по чувствительностям излучателя и приёмника, предварительно
отградуированных с помощью измерительной процедуры, метрологические характеристики которой подтверждены международными сличениями КООМЕТ 473/RU/09, 531/RU/ll, 561/RU/12.
1.13 Апробация результатов работы
Основные положения и результаты работы были представлены и обсуждены:
- на 6"й Всероссийской научно-технической конференции «Технические проблемы
освоения Мирового океана», г. Владивосток, 2015 г.;
- на 3"й международной конференции и выставке по Подводной Акустике
UACE 2015, Греция, 2015 г.;
- на научно-практической конференции «Гидроакустика», ФГУП «ВНИИФТРИ»,
2015 г.;
на 10"м совещании консультативного комитета по акустике, ультразвуку и вибрации МКМВ (CCAUV СП>М), г. Париж, 2015 г.;
на совещании технического комитета по акустике, ультразвуку и вибрации Еврамет (EURAMET TC-AUV), г. Копенгаген, 2016 г.
Содержание диссертации отражено в 12 печатных работах, список которых приведён в автореферате. Из них 5 работ опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.
Экспериментальное определение передаточной функции бассейна
Использование безэховой камеры пока остаётся единственным общепризнанным методом реализации свободного поля в лабораторных условиях. Считается, что звуковое поле в безэховой камере полностью соответствует определению свободного звукового поля [11, 12]. Для воздушной акустики удаётся достигнуть звукопоглощения 99 % и выше. Это удовлетворяет требованиям градуировки акустических приёмников и позволяет применять при градуировке в камере измерения сигналов любой длительности.
Работы по заглушению гидроакустического лабораторного бассейна не столь успешны, и значительная остаточная реверберация заставляет искать возможности исключить её влияние на результаты измерений другими способами.
Теоретически не исключена возможность избавиться от влияния отражений при приёме в незаглушенном бассейне непрерывного сигнала. Наличие априорной информации: пространственные координаты акустических центров излучателя и приёмника, число значимых отражений, значения временных задержек отражений, известные коэффициенты отражений и т.д. позволяет построить математическую модель системы излучатель-отражения-приёмник. Примером попытки построения исчерпывающей модели реверберационного звукового поля в бассейне с отражающими границами может служить модель звукового поля в измерительном бассейне Физического Факультета МГУ [13]. Потребовались трудоёмкие и сложные эксперименты, чтобы получить исходные данные, достаточные для параметризации этой модели, и ещё более сложные для того, чтобы проверить её качество и применимость для измерений по полю, количественно оценить точность результата. Эффективно применить полученное описание не удалось даже для узкого класса гармонических сигналов. Попытки построить модель поля на основе информации об отражающих свойствах материалов стенок бассейна и лучевой картины распространения звуковых волн не получили практического выхода, поскольку исходная информация о граничных условиях оказывается существенно неполной и неточной. Кроме того, создание лучевой картины требует знания направленности преобразователей на всех частотах, что равносильно знанию искомых частотных характеристик. Насколько сложна исчерпывающая модель будет показано в главе 4 на примере полученной экспериментально передаточной функции гидроакустического бассейна ГЭТ 55-2011, устанавливающей в ограниченном частотном диапазоне связь между звуковыми давлениями в свободном и реверберационном поле в точке расположения гидрофона при заданном положении излучателя в бассейне.
В соответствии с общепринятым определением свободное звуковое поле – это звуковое поле в однородной изотропной среде, границы которой оказывают пренебрежимо малое действие на звуковые волны [12]. В определении явно присутствует только пространство с его границами. То, что воздействие границ должно быть пренебрежимо малым всегда, то есть на бесконечном интервале времени, присутствует в определении неявно.
Для задач градуировки требования общепринятого определения свободного поля избыточны. При градуировке акустического приёмника интерес представляет звуковое давление не во всём окружающем приёмник пространстве, а лишь в окрестности точки приёма.
Бесконечная протяжённость поля означает возможность расположить приёмник на сколь угодно большом расстоянии от излучателя, обеспечивая условия дальнего поля при градуировке приёмника больших размеров. Если бесконечное время существования свободного поля в точке приёма безэховая камера обеспечивает, то возможность расположить приёмник в дальнем поле ограничена размерами рабочей зоны камеры. На практике, для задач градуировки достаточно, чтобы падающая на приёмник звуковая волна была локально плоской (на размере приёмника). Это требование определяет необходимые размеры камеры и верхнюю частоту градуировки в камере по свободному полю. Требование бесконечно большого времени измерения избыточно так же, как и требование бесконечности пространства хотя бы потому, что противоречит практической целесообразности эксперимента. Для градуировки гидроакустического приёмника по свободному полю в бассейне с отражающими границами достаточно, чтобы запаздывание Лт отражённых волн относительно прямой волны в точке приёма превосходило время установления сигнала AT в системе «эталонная установка-излучатель-приёмник» Лт AT. Ограничение на запаздывание отражённой волны означает ограничение времени измерений по свободному полю. При этом измерения с разрешением по частоте 1/Лт не приводят к искажениям частотной зависимости, измеряемой при градуировке приёмника по свободному полю.
В настоящей работе в качестве практических критериев свободного поля при градуировке гидроакустического приёмника принято выполнение условий: - запаздывание Лт отражённых волн относительно прямой волны в точке приёма превышает время установления сигнала AT в системе «эталонная установка-излучатель-приёмник» - падающая на приёмник прямая волна излучателя локально плоская на размере приёмника. Предлагаемый в работе подход базируется на использовании частной модели звукового поля в бассейне, справедливой лишь для двух точек, задающих расположение в бассейне излучателя и приёмника. Такая модель позволяет решать задачу градуировки гидроакустического приёмника на сигнале заданной формы [14].
Сокращённая модель звукового поля, получаемая при рассмотрении излучателя и приёмника в реверберационном поле лабораторного бассейна в виде линейного четырёхполюсника [14], даёт возможность применить математический аппарат передаточных функций и восстановить по выходному сигналу приёмника в реверберационном звуковом поле спектр и форму прямого сигнала с приемлемым для градуировки приёмника качеством. 1.2 Четырёхполюсная модель пары излучатель-приёмник в ревербера-ционном поле лабораторного бассейна
Понятие передаточного импеданса (ПИ) применительно к задаче градуировки главным образом используется в методе взаимности [15], который основан на свойствах обратимого четырёхполюсника. Комплексная частотная зависимость пары излучатель-приёмник для обработки по методу СКВУ получается, как отношение выходного напряжения приёмника в реверберационном звуковом поле к опорному сигналу. Если в качестве опорного сигнала использовать ток в цепи излучателя, то указанное отношение имеет смысл ПИ пары в реверберационном поле.
Измерения ПИ по свободному полю выполняются в безэховой камере при излучении гармонического сигнала. Излучая сигнал на различных частотах, получают частотную зависимость ZPH(f) ПИ в свободном поле для линейного четырёхполюсника, образованного разнесёнными в пространстве излучателем Р и приёмником Я, в установившемся режиме приёма сигнала: / m 0н(/) 2рн(/) Ш где UH(J) и iP(f) - амплитуды напряжения на выходе приёмника и тока в цепи излучателя соответственно.
При градуировке гидрофона тонально-импульсным методом измерения на гармоническом сигнале частоты / заменяются измерениями на коротком отрезке синусоиды с частотой /. Часть сигнала, искажённая отражениями, отбрасывается.
На рисунке 1 а показана осциллограмма выходного напряжения приёмника в реверберационном поле гармонического сигнала. На рисунках 1 а и б помечены участки выходного напряжения: предшествующий отражениям, искажённый ре-верберационной помехой в режимах неустановившегося и установившегося приёма реверберационного сигнала.
Измерение передаточного импеданса в реверберационном поле широкополосного сигнала
В рассмотренных в 1.6 измерительных ситуациях реверберационное поле шумового сигнала позволяет также быстро выполнять измерения в широком диапазоне частот, но с существенно меньшей, в сравнении с ЛЧМ сигналом, погрешностью.
В противоположность измерениям на ЛЧМ сигнале, разница времени прихода в точку приёма прямой и отражённой шумовых волн не вызывает различий в амплитудной модуляции отражённого и прямого сигналов. При этом не снижается эффективность редактирования экспериментальной частотной зависимости, и не возникает искажений искомой частотной характеристики на участках перегибов, что характерно для обработки методом СКВУ зависимостей, полученных на ЛЧМ сигнале. Этот эффект демонстрируется совпадением зависимостей, представленных кривой 2 и рядом 3 на рисунке 5.
Измерениям на стационарном шуме, в отличие от ЛЧМ сигнала, не присуща нестационарность искажений, вызванных отражениями, вследствие чего зависимость, представленная рядом 2 на рисунке 4, не имеет ложных горбов и провалов и совпадает с результатами измерений тонально-импульсным методом. Для обеспечения установившегося режима приёма стационарного шумового сигнала в лабораторном бассейне достаточно задержать начало приёма относительно начала излучения на время, равное сумме времени распространения прямой звуковой волны от излучателя к приёмнику и времени реверберации бассейна.
Продолжительность измерительного сигнала в лабораторном эксперименте должна быть равной продолжительности окна данных, применяемого на полигоне, чтобы обеспечить измерения с полигонным частотным разрешением. При времени реверберации бассейна 500 мс и продолжительности окна данных 1 с эксперимент по измерению шумовой реализации, используемой для получения частотной зависимости ПИ пары излучатель-приёмник в реверберационном поле бассейна, занимает 1,5 с.
Для измерений на шумовом сигнале характерна процедура накопления спектров с целью повышения отношения сигнал/помеха. С учётом многократных измерений шумовых реализаций продолжительность эксперимента по получению частотной зависимости ПИ пары излучатель-приёмник в шумовом ревер-берационном поле бассейна не превышает 30 – 40 минут. Это несоизмеримо меньше в сравнении с измерениями на ЛЧМ сигнале. При этом не возникает проблем, связанных с чрезвычайной избыточностью получаемых данных.
Таким образом, если использование ЛЧМ сигнала для получения ПФБ представляет сегодня скорее теоретический интерес, то использование шума – задача практическая. Дополнение программно-аппаратной реализации метода СКВУ возможностью измерений на шумовом сигнале позволит применять при градуировке гидроакустического приёмника тестовые сигналы различного вида и получать результаты с малым числом общих составляющих погрешности, что повышает метрологическую надёжность и достоверность результатов.
Перечисленные выше факторы обусловили выбор шумового сигнала для разработки измерительной процедуры по получению ПФБ бассейна. 2.3 Измерительные процедуры метода СКВУ в шумовом ревербераци-онном поле лабораторного бассейна
Алгоритм измерений по свободному полю в реверберационном поле шумового сигнала изображён на рисунке 6. Перед началом выполнения процедур алгоритма определяется дистанция излучатель-приёмник (задержка распространения прямой волны) и задержки прихода значимых отражённых сигналов Tt. Полученные данные используются для определения параметров усреднения по методу СКВУ Aft = 1/TJ. После настройки измерительных трактов: - задаётся число накоплений и граничные частоты полосового шума; - генератор полосового шума (ГПШ) по заданным параметрам формирует заданное число реализаций полосового шумового сигнала и последовательно подаёт их на излучатель; - для каждой реализации измеряются временные зависимости напряжения Xi(t) на токовом резисторе излучателя (И) и yj(t) на выходе приёмника (П) соответственно; - дискретным преобразованием Фурье (FFT) получаются спектры токового St = FFT{Xi(t)} и выходного Rt = FFTiy t)} сигналов для каждой реализации; - вычисляются спектр мощности токового сигнала \St\ и взаимный спектр токового и выходного сигналов Rt S- для каждой реализации; - спектры мощности токового сигнала и взаимные спектры токового и выходного сигналов усредняются по реализациям Р7 = (Sj ) и Ww = (Ri 5/1) соответственно; - комплексная частотная зависимость передаточного импеданса в реверберационном поле вычисляется, как ZRF(f) = Ww /Р7; - комплексная частотная зависимость передаточного импеданса в свободном поле получается, как ZPP(f) = CKBy{ZRF(f)}; - передаточная функция бассейна определяется, как: HWT(f)=ZRF(f)/ZFF(f).
Измерительная процедура предусматривает применение априорного либо апостериорного редактирования экспериментальной частотной зависимости, выполняемых на основе информации о частотных свойствах излучателя и приёмника, трактов излучения и приёма эталонной установки для уменьшения погрешности градуировки по полю [6, 21, 26].
В отличие от обычных процедур подготовки к градуировке гидроакустического приёмника программно-аппаратная реализация предполагает измерение частотных характеристик тракта излучения и тракта приёма эталонной установки, используемых в качестве априорной информации для построения редактирующих функций, а также точное определение положений акустических центров излучателя и приёмника. В зависимости от условий эксперимента положение акустического центра определяют либо акустическим способом с учётом поправок на размеры активных элементов излучателя и приёмника [5], либо точно позиционируют геометрические центры преобразователей по лучу лазера [6], либо определяют смещение акустического центра преобразователя относительно опорной точки [30, 31].
ПАК позволяет измерять чувствительность гидроакустического приёмника к скалярной (звуковое давление) и векторным (колебательная скорость, градиент давления) величинам акустического поля абсолютным методом с использованием обратимого приёмника звукового давления [3], и относительным методом с использованием опорного гидрофона. Векторные приёмники градуируют, основываясь на устанавливаемой теоретически и подтверждаемой экспериментально связи между звуковым давлением и измеряемой приёмником векторной величиной гидроакустического поля, реализуемого в эксперименте [21].
Точность фазовых характеристик при градуировке гидрофона обеспечивается выполнением измерений методом неподвижной опорной точки и позиционированием опорной точки по лучу лазера [29]. Определение фазового угла чувствительности с использованием поправки на смещение акустического центра гидрофона относительно опорной точки предполагает [30, 31]: - размещение излучателя, обратимого преобразователя и гидрофона по схеме Люкера-Ван Бюрена [3, 32]; - определение изменения фазового набега сигнала обратимого преобразователя при его повороте из исходного положения на 180; - использование изменения фазового набега для расчёта фазового угла чувствительности. В погрешность полученного таким образом значения фазового угла не входит составляющая, обусловленная несовпадением геометрического и акустического центров, при этом обеспечиваются значительно меньшие в сравнении с методом неподвижной опорной точки разброс результатов и зависимость разброса от частоты измерений [29, 33].
Измерительные процедуры метода СКВУ в шумовом реверберационном поле лабораторного бассейна
Чувствительность гидрофонов ГИ-32 Э, ГИ-33 Э, ГИ-34 Э в рабочем частотном диапазоне слабо зависит от частоты, характеристики направленности практически круговые.
Реверберационное поле бассейна, формируемое шумовым сигналом, структурировано на зону свободного поля (прямая волна доминирует) и диффузную зону (преимущественное направление падения звуковой волны отсутствует), разделённые зоной перехода [22]. При исследовании шумового реверберационного поля в бассейнах ГЭТ 55-2011 было важно оценить близость звукового поля к свободному или диффузному, поскольку это может влиять на качество измерений по свободному полю с использованием разработанного ПАК.
Близость реверберационного поля к диффузному удобно оценивать с помощью приёмника с существенно неравномерной характеристикой направленности. В диффузном поле направленность приёмника отсутствует, следовательно характеристика направленности приёмника в идеальном диффузном поле должна иметь вид окружности. Близость характеристики направленности в свободном поле на участках существенной неравномерности и провалов к измеренной по свободному полю в диффузной зоне позволяет судить о качестве условий свободного поля, обеспечиваемых разработанным ПАК.
На рисунке 14 кривыми 1 приведены характеристики направленности приёмника в свободном поле, измеренные на частотах 25 и 30 кГц тонально-импульсным методом при расстоянии 0,7 м до излучателя. Характеристики изрезаны многочисленными узкими провалами глубиной 35 – 40 дБ, что удобно для визуального контроля и оценки диффузности звукового поля.
Внешний вид приёмника Б На рисунке 17 изображена частотная характеристика приёмника Б с шагом 2 кГц. Явно выраженные особенности частотной характеристики – подъёмы на частотах 210 и 320 кГц и провал на частоте 270 кГц. Такие особенности принято связывать с частотами, на которых свойства направленности приёмника проявляются в наибольшей степени. На рисунке 18 представлены характеристики направленности приёмника Б на этих частотах.
Для диаграмм на рисунке 18 так же, как и для диаграмм, представленных кривыми 1 на рисунке 14, характерны большая неравномерность и резкие узкие провалы, глубиной до 35 – 40 дБ. Такое поведение характеристик приёмника также подходит для визуального контроля и количественной оценки диффузности звукового поля и качества измерений по свободному полю.
Перед испытаниями ПАК было проведено исследование шумового ревербе-рационного поля в большом и малом бассейнах ГЭТ 55-2011 [20]. Для этого излучатель возбуждали сигналом типа «белый шум» длительностью, значительно превосходящей время реверберации. Для сопоставимости результатов с приведённы 55 ми в [22], эксперимент выполнялся при тех же геометрических параметрах. Уровни звукового давления измеряли в частотных полосах шириной 3 кГц. На рисунке 19 приведены зависимости уровней от расстояния до излучателя для полос с центральными частотами 10, 20, 30, 40, 50, 60 и 80 кГц в шумовом реверберационном поле большого бассейна ГЭТ 55-2011.
Наклонными штриховыми прямыми показано поведение уровня звукового давления в свободном поле сферической волны, горизонтальными – уровень звукового давления в идеальном диффузном поле. Положение штриховых прямых соответствует прямым наилучшего (в смысле метода наименьших квадратов) приближения экспериментальных зависимостей. Отклонения экспериментальных зависимостей от соответствующих прямых наилучшего приближения показывают близость поля к свободному либо диффузному. Области, которые в [22] названы зонами свободного поля, диффузной и переходной зоной, на рисунке разделены вертикальными пунктирными прямыми.
По результатам исследования: отклонения экспериментальных зависимостей от опорных в зоне свободного поля и диффузной зоне ± (1,0 - 1,3) дБ, зона свободного поля начинается на расстоянии 30 см и заканчивается на расстоянии 60 см от излучателя, протяжённость диффузной зоны 2 м, её удалённость от излучателя 2,5 м. Полученные значения хорошо согласуются с результатами исследований, выполненных Д.З. Лопашёвым [22].
На рисунке 14 кривыми 2 показаны характеристики направленности приёмника КГП10, полученные прямыми измерениями в частотных полосах 3 кГц в диффузной зоне. Характеристики в диффузной зоне намного равномернее характеристик в свободном поле: глубокие узкие провалы отсутствуют, а неравномерность не превышает 4 - 5 дБ. Сравнив неравномерности характеристик направленности в диффузной зоне и отклонения уровней звукового давления от горизонтальной прямой с типичной погрешностью градуировок рабочих гидрофонов, можно считать звуковое поле в диффузной зоне бассейна хорошим приближением диффузного поля.
Диффузное поле создают, излучая шумовой сигнал, тем самым достигают максимальной плотности звуковых мод и случайности фаз звуковых волн.
Чем ближе реверберационное звуковое поле к диффузному, тем сложнее выполнить измерения по свободному полю. Соблюдение требований к дистанции дальнего поля при градуировке гидроакустического приёмника больших габаритов вынуждает удалять приёмник от излучателя, при этом он попадает в диффузную зону, что усложняет выполнение измерений по свободному полю.
Соблюдение требований к дистанции дальнего поля заставляет исследовать границы применимости разработанного ПАК, в то время как близость звукового поля в диффузной зоне бассейна к диффузному полю обеспечивает условия, не 57 обходимые для таких испытаний. Удалённость приёмника от излучателя осложняет определение характеристик по свободному полю из-за уменьшения отношения сигнал/помеха, что позволяет оценить помехозащищённость метода измерений. В силу перечисленных обстоятельств условия для измерений по свободному полю в шумовых реверберационных полях бассейнов ГЭТ 55-2011 были сочтены достаточно жёсткими и весьма подходящими для испытаний разработанного ПАК.
Качество условий свободного поля принято проверять по экспериментальной зависимости звукового давления от расстояния до излучателя.
В эксперименте расстояние между излучателем и приёмником увеличивали с 0,3 до 5 м с шагом, близким к 0,25 м, излучали «белый шум». На рисунке 20 приведены зависимости, полученные с применением разработанного ПАК в ре-верберационном поле шумового сигнала на частотах от 20 до 100 кГц. Пунктирными прямыми, полученными как прямые наилучшего (в смысле наименьших квадратов) приближения, показано поведение зависимостей в идеальном свободном поле сферической звуковой волны. Отклонения экспериментальных данных от прямых наилучшего приближения не превосходят 1,3 % независимо от зоны и частоты.
Результаты испытаний программно-аппаратного комплекса
Чем точнее измерены характеристики, тем более точно по ним можно дать численные оценки несовершенства конструкции гидроакустического приёмника.
В такой ситуации целесообразно использование для градуировки приёмника звуковой сигнал, подобный измеряемому при использовании приёмника по назначению. Выполнению такой градуировки в лабораторных условиях препятствует реверберация звука в бассейне. Реверберация искажает как форму, так и спектр принимаемого сигнала. Для борьбы с реверберацией используют звукопоглощающие покрытия. Однако, даже в заглушенных камерах, используемых в воздушной акустике, требуемого звукопоглощения достигают не на всех частотах. Использование широкополосного шумового сигнала требует специальных мер по борьбе с отражениями. Для создания эталонных установок может оказаться весь 72 ма полезным подход, основанный на излучении шумовых сигналов и использовании ПФБ для восстановления их спектра и формы.
Наиболее распространённым видом шумового сигнала, используемого при моделировании измерений в натурных условиях, является «белый» шум, который при решении поставленных задач позволил оценить качество восстановления исходного спектра по его неравномерности. Использование шума с заданным по частоте наклоном спектра и шума с колоколообразным спектром позволило наглядно оценить возможность восстановления неравномерного по частоте спектра. В этих экспериментах в качестве приёмника использовался стандартный гидрофон. Возможность применения ПФБ для восстановления спектра на выходе гидроакустического приёмника была опробована в экспериментах с имитатором носителя гидрофона [42].
Результаты экспериментов с «белым» шумом
Отражения от границы раздела вода-воздух в исследуемом диапазоне не зависят от частоты. Экспериментально установлено отсутствие заметной частотной зависимости отражений от стенок и дна бассейна ГЭТ 55-2011. Это стало основанием для предположения, что в эксперименте по определению ПФБ использование «белого» шума позволит выполнять измерения с наименьшим пик-фактором, что повысит точность результата эксперимента.
Применяли пару излучатель-приёмник с равномерной в частотном диапазоне эксперимента частотной зависимостью ПИ. Для повышения отношения сигнал/помеха частотный диапазон эксперимента разбили на третьоктавные участки. Для каждого участка излучали шумовые сигналы длительностью 1 с в частотной полосе, немногим шире третьоктавной, регистрировали ток в цепи излучателя и напряжение на выходе приёмника. Для обработки выделяли участки сигнала продолжительностью 1000 мс, отстоящие от начала приёма (для тока – начала излучения) на время реверберации бассейна. Комплексные спектры реализаций получали с использованием стандартной процедуры БПФ, при этом частотное разрешение составляло 1 Гц. Для определения ПФБ накапливали от 16 до 32 спектров в соответствии с алгоритмом, изложенным в главе 2. Решение задачи восстановления спектра сигнала предусматривает выполнение следующих операций: - при тех же, что и при определении ПФБ, геометрических, временных и частотных параметрах эксперимента излучали шумовой сигнал и регистрировали мгновенные спектры выходного напряжения приёмника Rk (/) и тока через излучатель Sk(f) (использованием индекса к в записи спектров показано отличие шумовых реализаций, использованных при решении задачи восстановления спектра, от реализаций, использованных для определения ПФБ); - получали спектры тока излучателя S(f) = \S(f)\, \S(f)\2 = (Sk(f) Sk(f)) и выходного напряжения приёмника в реверберацион ном звуковом поле R(f) = \R(f)\, \R(f)\2 = (Rk(f) R k(f)); - спектр напряжения приёмника в свободном поле X(f) восстанавливали де лением спектра выходного напряжения в реверберационном поле на модуль ПФБ: Я (Я X(f) - , yjJ \HWT(f)\ - основываясь на свойствах четырёхполюсных моделей пары излучатель приёмник (глава 1), в качестве опорного спектра шумового сигнала в свободном поле использовали произведение спектра тока излучателя на модуль частотной зависимости ПИ пары излучатель-приёмник по свободному полю: X (f)=S(f)-\ZPP(f)\-Восстановленный спектр X(f) сравнивали с опорным спектром X (f). Результаты экспериментов с «белым» шумом представлены на рисунках 31-34.
Искажения спектра «белого» шума реверберацией иллюстрируют зависимости на рисунке 31, на котором показаны модули полученных по 16 реализациям спектров шумового сигнала на выходе приёмника в реверберационном поле бассейна и опорного спектра, а также средний уровень опорного спектра.
По малым отклонениям уровней компонент опорного спектра от среднего уровня был сделан вывод о пригодности генерируемых сигналов для измерений в эксперименте.
Спектр выходного напряжения сильно искажён собственными модами бассейна. О величине искажений можно судить по провалам в спектре, достигающим 25 дБ несмотря на довольно высокую плотность мод.
С увеличением числа усредняемых спектров форма опорного спектра приближается к горизонтальной прямой, при этом форма спектра напряжения приёмника в реверберационном поле с точностью до константы будет совпадать с ПФБ. Подтверждением этому может служить близость формы спектра в ревербераци-онном поле на рисунке 31 и изображённой на рисунке 32 ПФБ, полученной как частное от деления спектра напряжения приёмника в реверберационном поле на результат обработки этого спектра по методу СКВУ.
Чрезвычайная изрезанность частотной зависимости на рисунке 32 демонстрирует сложность построения исчерпывающей теоретической модели ревербе-рационного бассейна. Наблюдаемые глубокие провалы ПФБ означают, что на соответствующих провалам частотах в точке приёма суммарная реверберационная звуковая волна по амплитуде близка к прямой волне излучателя и противоположна ей по фазе. Каждому расположению излучателя и приёмника в бассейне соответствуют свои частоты провалов ПФБ, на которых бассейн режектирует звуковую волну, подавляя её отражёнными волнами.
Глубокие редкие провалы оказывают малое влияние на энергетические характеристики шума. Однако, в задачах определения ПФБ и восстановления спектра такие провалы могут оказать существенное влияние на результат эксперимента. На частотах глубоких провалов восстановление спектральных компонент затруднено, а в случае полного подавления звуковой волны отражениями невозможно.