Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Стр, 9
1.1. Введение Стр, 9
1.1,1. Классификация методов градуировки Стр, 9
LL2. Вторичные методы градуировки. Стр. 10
1.1.3. Факторы, ограничивающие возможность осуществления градуировки Стр. 11 гидроакустических измерительных модулей.
1.2. Модель псевдошумового сигнала Стр. 12
1.3. Математическая модель измерительной системы Стр. 14 1.4 Оценка расстояния дальней зоны для псевдошумового сигнала Стр. 15
1.5. Измерение чувствительности гидроакустического измерительного Стр.23 модуля .
1.5.1. Схема проведения измерений Стр. 24
1.5.2. Результаты измерения чувствительности гидроакустического измерительного модуля Стр.30
1.6. Выводы Стр. 29
Глава 2. Стр.30
2.Ї. Введение Стр. 30
2.2. Частотная логарифмическая характеристика гидроакустического преобразователя ,
2.3. Частотная логарифмическая характеристика гидроакустического измерительного бассейна,
2.4. Градуировка гидроакустического измерительного преобразователя с использованием непрерывных сигналов .
2.5. Градуировка гидроакустического измерительного преобразователя с использованием непрерывных сигналов в условиях гидроакустического измерительного бассейна.
2.6. Выводы. Стр. 52 Глава 3. Стр. 53
3.1. Введение Стр. 53
3.1.1. Непрерывные линейные антенны. Стр. 53
3.1.2. Дискретные линейные антенны Стр. 54
3.1.3. Существующие методы градуировки линейных антенн Стр, 56
3.2. Метод градуировки линейных гидроакустических антенн Стр. 58
3.3. Математическое моделирование Стр. 61
З.ЗЛ. Построение диаграмм направленности антенн Стр. 62
ЗА Выводы Стр.71
Глава 4. Стр. 72
Стр.72 Стр. 76
4.1. Введение Стр.72
4.2. Обнаружение источников отраженного сигнала, с использованием метода замены измерительной системы набором точечных излучателей
4.3. Обнаружение источников отраженного сигнала, с использованием методов голографии
4.4. Комбинирование методов голографии и замены измерительной системы набором точечных излучателей для обнаружения источников Стр. 80 отраженного сигнала и определения их параметров
4.5. Выводы Стр.83
Заключение Стр, 84
Список литературы
- Модель псевдошумового сигнала
- Измерение чувствительности гидроакустического измерительного Стр.23 модуля
- Градуировка гидроакустического измерительного преобразователя с использованием непрерывных сигналов
- Обнаружение источников отраженного сигнала, с использованием метода замены измерительной системы набором точечных излучателей
Введение к работе
Всем, кто связан с исследованием и использованием глубин океана в военных, промышленных или научных целях, приходится сталкиваться с проблемами локации и связи, весьма отличными от аналогичных проблем в любой другой среде. Водная среда -серьезное препятствие для проникновения в ее толщу и человека и аппаратуры. Она практически непрозрачна для лучей видимой и инфракрасной областей спектра, для излучений радио- и СВЧ-диапазоиов - всех тех известных нам видов электромагнитного излучения, которые используются для локации и связи в атмосфере и космическом пространстве. Акустические сигналы являются наиболее эффективным средством передачи информации в воде па расстояния свыше нескольких сотен метров. Поэтому электроакустические преобразователи являются практически единственным средством для приема звука в воде и в большинстве случаев для генерирования в ней управляемых акустических сигналов. К подводным электроакустическим измерениям относятся электрические и акустические измерения, служащие для градуировки, испытаний или оценки гидроакустических преобразователей, а также для обеспечения непосредственного излучения, обнаружения и измерения акустических сигналов в воде, выражаемых обычно в единицах звукового давления.
Потребность в подводных электроакустических измерениях возникла в основном в связи с развитием гидроакустических средств военного назначения для навигации, локации, связи, которые в первуто очередь дали толчок для разработки таких методов измерений. Определенную роль сыграло и использование звука в жидких средах для ультразвуковой терапии, ультразвуковых методов очистки, линий задержки, измерителей потока жидкости.
История развития методов и техники градуировки подводных электроакустических преобразователей начинается примерно в 1941 г. До того времени интерес к этой области техники был весьма ограниченным, и развивалась она слабо. Некоторые ученые проводили эксперименты по разработке методов измерения звукового давления в жидкостях, однако эти методы были весьма сложными, и их практическое применение редко выходило за рамки лабораторных работ. Были разработаны методы градуировки микрофонов в воздухе, но они не позволяли производить подводные измерения, и ограничивались диапазоном частот, лежащим в области слышимых звуков.
Широкое использование подводного флота в ходе военных действий в период Второй мировой войны и, как следствие, необходимость обеспечения обнаружения противника как под водой, так и над водой, привело к существенному увеличению интереса к данной области наук. Именно в этот период были разработаны и осуществлены на практике многие методы градуировки гидроакустических преобразователей. После окончания военных действий количество исследований в данной области существенно уменьшилось. Исследования и разработка методов градуировки преобразователей и систем были возобновлены в начале 50-х годов в основном в лабораториях, связанных с ВМФ. Возрастающий в последние годы интерес к океанографии и морским наукам еще более усилил значение подводной акустики и электроакустики в научных исследованиях и при решении практических задач. Прогресс в области гидроакустических измерений и повышение требований к точности измерений в последнее десятилетие, а также изменение законодательства в области метрологического обеспечения привели к необходимости существенной модернизации метрологического обеспечения в области гидроакустических измерений. Однако следует заметить, что во многих случаях совершенствование средств измерения параметров гидроакустических систем не подразумевает использования каких-либо новых подходов или методов, а заключается в реализации использовавшихся ранее методов новыми техническими средствами. В тоже время, становится очевидно, что для решения ряда задач такой подход успеха не принесет.
На сегоднашний день можно выделить следующие основные направления развития в области градуировки гидроакустических измерительных систем:
измерение частотной характеристики чувствительности на «непрерывной» сетке частот;
использование сигналов со сложным спектром (ЛЧМ, случайных и детерминированных полосовых процессов);
измерение частотной характеристики в полосе частот (1/3 октава и др.); измерение частотной характеристики крупногабаритных измерительных гидроакустических модулей в условиях лабораторных гидроакустических бассейнов;
измерение влияния конструкций гидроакустических модулей и элементов крепления на чувствительность измерительных гидрофонов;
измерение чувствительности и диаграммы направленности протяженных гидроакустических антенн и цепочек гидрофонов;
расширение частотного диапазона (до 10 кГц) передачи единицы приемникам колебательной скорости;
реконструкция диаграммы направленности и чувствительности крупногабаритных приемных и излучающих систем по измерениям в ближней и переходной зоне.
Однако, использование распространенных на сегодняшний день методов и подходов не достаточно для решения многих из этих задач, особенно в области определения параметров измерительных гидроакустических систем. Рассмотрим ряд таких задач.
Первой из рассматриваемых является задача измерения частотных характеристик измерительных гидроакустических модулей. Её суть состоит в следующем. Для проведения достоверных измерений параметров гидроакустического поля с помощью измерительного модуля, содержащего не только первичный гидроакустический преобразователь (гидрофон), но и различные элементы конструкции, необходима информация не только о характеристиках гидрофона, но и модуля в целом. Однако возможность обеспечения проведения измерений данных характеристик ограничивается следующими факторами:
1. Согласно определению, коэффициент преобразования (чувствительность) и диаграмма направленности приемных и излучающих систем, преобразователей и гидрофонов определяется в дальнем поле (зоне Фраунгофера). Критерий расстояния дальнего поля для гидрофона определяет расстояние, начиная с которого выходное напряжение гидрофона становится обратно пропорциональным расстоянию до излучателя. Для излучателя, критерий расстояния дальнего поля обычно устанавливает расстояние R, начиная с которого давление, создаваемое излучателем, соответствует сферически расходящейся волне, однако, учитывая обратимость . характеристик гидрофона в режимах приема и излучения, его можно применять и для гидрофона, используемого в качестве приемника. Одним из критериев дальнего поля является
D2 соотношение R —, где D - максимальный линейный размер излучателя, а X - длина А
волны, для которой осуществляется градуировка, при погрешности менее 1дБ. Этот же
критерий в первом приближении можно отнести и к гидроакустическим измерительным модулям (ГИМ), в которые установлены первичные гидроакустические преобразователи. Учитывая значительные линейные размеры измерительных модулей, расстояние дальнего поля может достигать десятков метров.
Такие требования приводят к тому, что их выполнение на практике в лабораторных измерительных бассейнах во многих случаях нереализуемо. Выполнение градуировки в натурных условиях также связано с существенными трудностями. В связи с описанными выше трудностями, градуировка ГИМ во многих случаях не проводится.
Расхождение между чувствителыюстями первичного преобразователя и измерительного модуля рассматривается как погрешность измерения чувствительности модуля. Однако в связи с тем, что элементы обтекателя, а так же другие элементы конструкции, входящие в состав модуля, могут оказывать заметное влияние на его чувствительность, расхождение может быть весьма значительным, В связи с этим, возникает необходимость в проведении исследования измерительного модуля в целом для оценки его характеристик и обнаружения расхождений между характеристиками первичного преобразователя и характеристиками модуля, 2. По своему прямому назначению, во многих случаях ГИМ используется при измерениях шумовых сигналов в 1/3 октавном ряде частот, и характеристики наиболее правильно было бы измерять на сигналах, приближенных к реальным сигналам, а не на гармонических сигналах.
Таким образом, несмотря на актуальность данной задачи, её решение существующими на сегодняшний день средствами существенно затруднено, а в ряде случаев - практически невозможно.
Второй рассматриваемой задачей является снижение нижней граничной частоты градуировки гидроакустических измерительных преобразователен (гидрофонов) в лабораторных измерительных бассейнах. На сегодняшний день градуировка гидрофонов в гидроакустических бассейнах обычно проводится с использованием радиоимпульсного сигнала, т.к. использование звукопоглощающих покрытии не обеспечивает требуемых коэффициентов отражения особенно в диапазоне частот ниже 10 кГц. Радиоимпульсный режим работы, однако, имеет ряд недостатков, основным из которых является наличие переходного процесса и, как следствие, необходимость существования в радиоимпульсе не менее 3-Ю периодов несущей частоты, что существенно ограничивает нижнюю частоту градуировки в гидроакустическом бассейне и снижает соотношение сигнал/помеха при измерениях. Например, для гидроакустического измерительного бассейна, имеющего линейные размеры бхбхб м, нижняя частота градуировки гидроакустического преобразователя с использованием радиоимпульсных сигналов ограничена частотой в несколько килогерц. В связи с этим, разработка метода уменьшения нижней частоты градуировки, позволившего бы проводить измерения характеристик гидроакустического преобразователя в лабораторных измерительных бассейнах для более широкого диапазона частот, является на сегодняшний день одной из актуальных задач в области гидроакустики.
Третьей задачей является разработка метода градуировки линейных протяженных гидроакустических антенн, В ряде случаев, например при проведении измерений на низких частотах (сотни герц), использование одиночных гидрофонов не позволяет осуществлять эффективное решение поставленных задач. Построение антенных систем, включающих несколько преобразователей, является одним из способов решения данной проблемы. На сегодняшний день, помимо антенн, состоящих из небольшого числа элементов, значительное распространение в гидроакустике получили линейные протяженные антенны. Однако при осуществлении градуировки таких антенн существующими методами возникает ряд существенных осложнений. Методы взаимности и замещения могут быть применены только к антеннам, имеющим незначительную длину. Для линейных антенн, обладающих значительной протяженностью могут применяться два основных метода градуировки. Первый метод - это градуировка подобной антенны в свободном поле. Однако этот метод связан с существенными трудностями по обеспечению выполнения условий свободного поля для антенн, имеющих значительную длину, а так как длина антенн продолжает увеличиваться, то осуществление на практике градуировки линейных антенн этим методом становится все более сложным. Другой метод градуировки линейных антенн заключается в размещении градуируемой линейной антенны в трубе, в которой с помощью набора излучателей создается бегущая волна. Однако при реализации этого метода возникает ряд трудностей, связанных как с необходимостью одновременного возбуждения всех излучателей с соответствующими фазами и амплитудами, так и с необходимостью контроля существования бегущей волны в трубе.
Четвертой задачей является оценка степени влияния дополнительных источников отраженного сигнала, связанных с элементами конструкции гидроакустического преобразователя, на его чувствительность и диаграмму направленности. При осуществлении измерений гидроакустический преобразователь функционирует не сам по себе, а используется в составе более сложной измерительной системы. Необходимость обеспечения передачи данных от преобразователя к устройствам обработки информации, а также другие факторы, связанные с функционированием преобразователя в сложной системе и защитой от внешних воздействий, приводят к необходимости введения в его конструкцию дополнительных элементов, таких как обтекатели, устройства крепежа и т.д. Появление таких элементов может приводить к ситуации, когда характеристики преобразователя и характеристики системы в целом становятся различными. В ряде случаев, этими расхождениями можно пренебречь, однако в случаях, когда расхождения являются значительными, возникает задача обнаружения источников отраженного сигнала и оценки их степени влияния на характеристики измерительного преобразователя.
В соответствии с изложенным выше кругом задач на защиту выносятся следующие положения:
1. Метод градуировки гидроакустических измерительных модулей в измерительных лабораторных бассейнах, основанный на использовании псевдошумового сигнала.
2. Метод градуировки гидроакустических измерительных преобразователей с использованием непрерывных сигналов, основанный на разделении спектров передаточной функции бассейна и частотной характеристики преобразователя, позволяющий существенно уменьшить нижнюю частоту градуировки по сравнению с результатами, получаемыми при использовании радиоимпульсных сигналов, и увеличить соотношение сигнал/помеха при измерениях.
3. Метод градуировки линейных протяженных гидроакустических антенн, основанный на использовании реакции антенны на распределения давления, создаваемые каждым из излучателей, размещенных в измерительной трубе, по отдельности, позволяющий избежать возникновения проблем, связанных с созданием и контролем существования в трубе бегущей волны.
4. Алгоритм обнаружения источников отраженного сигнала и определения степени их влияния на характеристики измерительной системы с использованием методов голографии и методов решения задачи оптимизации, позволяющий оценить степень влияния элементов конструкции на чувствительность и диаграмму направленности гидроакустической измерительной системы
Модель псевдошумового сигнала
На сегодняшний день существует ряд проблем, затрудняющих получение необходимых характеристик гидроакустических модулей при использовании существующих методов градуировки, связанных со следующими факторами: L Согласно определению, коэффициент преобразования (чувствительность) и диаграмма направленности приемных и излучающих систем, преобразователей и гидрофонов определяется в дальнем поле (зоне Фраунгофера) [1,8]. Критерий расстояния дальнего поля для гидрофона определяет расстояние, начиная с которого выходное напряжение гидрофона становится обратно пропорциональным расстоянию до излучателя [I], Критерий расстояния дальнего поля для излучателя обычно устанавливает расстояние R, на котором начинается сферически расходящееся дальнее поле излучателя, однако его в первом приближении можно применять и для гидрофона, используемого в качестве приемника. Одним из критериев дальнего поля для излучающих линий, тонких цилиндров, поршней является соотношение R — (LI), где D - максимальный линейный размер Л. излучателя, а X - длина волны, для которой осуществляется градуировка, при погрешности менее 1дБ [1]. Исходя из (1Л), расстояние дальнего поля для частоты 10 кГц при использовании гармонических сигналов составляет около 1.7м, частоты 30 кГц - 5м, а для частоты 100 кГц около 17м для преобразователя, имеющего максимальный линейный размер 0.5м и, соответственно, 6.7м, 20м и 67м для преобразователя, имеющего максимальный линейный размер 1м. Такие требования к расстоянию дальнего поля приводят к тому, что их выполнение на практике в лабораторных бассейнах во многих случаях нереализуемо. Выполнение градуировки в натурных условиях также связано с существенными трудностями. Эти же критерии в первом приближении можно отнести и к гидроакустическим измерительным модулям (ГИМ), в которые установлены первичные гидроакустические преобразователи. В связи с описанными выше трудностями, градуировка ГИМ во многих случаях не проводится. Расхождение между чувствительностями первичного преобразователя и измерительного модуля рассматривается как погрешность измерения чувствительности модуля. В связи с тем, что элементы обтекателя, а так же другие элементы конструкции, входящие в состав модуля, могут оказывать заметное влияние на его чувствительность, расхождение может быть весьма значительным, В связи с этим, следует проводить исследования измерительного модуля для оценки его характеристик и обнаружения расхождений между характеристиками первичного преобразователя и характеристиками модуля.
С другой стороны, по своему прямому назначению, во многих случаях ГИМ используется при измерениях шумовых сигналов в 1/3 октавном ряде частот, и характеристики наиболее правильно было бы измерять на сигналах, приближенных к реальным сигналам, а не на гармонических сигналах. Рассмотрим подход, основанный на использовании при градуировке псевдошумопого сигнала, позволяющий решить указанные проблемы и получить характеристики г/а модулей для сигналов, приближенных к реальным, в лабораторных г/а бассейнах относительно небольшого размера (порядка 6x6x6м). 1.2. Модель псевдошумового сигнала
В качестве модели шумового сигнала предлагается использовать набор гармонических сигналов, частоты которых распределены равномерно по соответствующей 1/3 октавной полосе частот. P(0 = PocoS(2Tifkt + Yk) (1-2) ы где N - это число частот в наборе, fk - это частота, а у - это соответствующая ей фаза. Piic.I.l, Псев ошушшш сипшз l (t), 1 ОЙ & иркмган. Рассмотрим пример, когда в 1/3 окташюм диапазоне 9 - і 1.25 кГц выбирается 100 частот, распределенных равіюмсрію, т.е. выбранных с шагом 22.5 Гц, Соответетаукшще значения фаз выбираются случайным образом в соответствий с равномерным законом рашрелелешш случайных величин я диапазоне я 0 до 2%, Полученный в результате сигнал нсгоїшрреляїіионїшяфунщшинеютследуюушн вид(рис.ї.Ц рїїс.1.2):
При выборе количества частот в наборе необходимо учитывать еявдукщий факт b .z.m частоты распределены в наборе равномерно, то корреляционная функция такого сигнала является периода ческой с периодом Тк ШІ где df - & - fk i- Например, для газшаншш выше примера период корреляшоннпй функции будет составлять 0.044 секунды. На рясДЛ приведен пример шрреждношюй функпш ДЛИ гзоевдошумоБога сигнала, при ш щаши которого в диапазоне 9 - 11.25 кГц выбирается 10 частот, а на рясЛЛ - З частоти. Шаг выбора частот составляет 225 Гц и 750 Го, а период коррсішщшщж фушгши -0.0044 п 0-0013 секунди соответстветЕО.
Измерение чувствительности гидроакустического измерительного Стр.23 модуля
Как видно из рис. 2.6 и рис. 2.7 предложенный алгоритм позволяет восстановить частотную характеристику гидрофона практически во всем рассматриваемом частотном диапазоне с погрешностью не превышающей 1 дБ.
В рассмотренном выше примере, помимо напряжения U(f), нам была необходима информация о величине PQ(0- Однако, в ряде случаев, получение этой информации может
быть существенно затруднено. Во избежание необходимости её определении, используемся подходами, основывающимися на методах градуировки гидрофонов методами замещения и сравнения. Применение этих методов так же позволяет осуществлять градуировку гидроакустических преобразователей с использованием непрерывных сигналов в случаях, когда спектры частотных характеристик гидроакустического преобразователя и лабораторного бассейна близки. Пример такой характеристики приведен на рис. 2.8. дБ юл 201og(SM(n)) 20log(Sr(n)) 50 100 І50 200 250 300 n Номер гармоники Рис.2.8. Спектр S (а) логарифмической частотной характеристики гидрофона М1Г(П и спектр Sr (п) логарифмической частотной характеристики бассейна в месте нахождения гидрофона. Показаны только первые 300 гармоник. В данном случае количество гармоник, которые могут быть использованы в соответствии с описанным выше алгоритмом, недостаточно для восстановления частотной характеристики гидрофона в широком частотном диапазоне с погрешностью, не превышающей 1 дБ.
Пусть градуируемый гидрофон находится в измерительном бассейне. Кроме него в зтом же бассейне находятся излучатель и гидрофон сравнения (рис.2.9). 6 Гс R7 О И Рис.2.9. Схема проведения измерений. Г - градуируемый гидрофон ГС - гидрофон сравнения. И - излучатель ПУВС - персональная управляющая вычислительная система При использовании метода замещения R] = R:, т.к. градуируемый гидрофон помещается в ту же область, где находился гидрофон сравнения. При использовании метода сравнения расстояния Ri и R2 существенно различаются. Однако метод сравнения является, по сути, модификацией метода замещения. Обозначим частотную характеристику исследуемого гидрофона Мг(0, тогда: Мг(0 Рг(О = иг(О (2-4) T где, Ur(f) = J- J U2(,f)dt; Pr(f) = J— J P2(t,f)dt, U(tff) - выходное напряжение гидрофона, P(t, f) - давление, создаваемое излучателем, в области нахождения гидрофона в его отсутствие. Для гидрофона сравнения: МГс(0 РГс(О=иГс(О (2.5)
Пусть зависимость Pr(f) к Ррс(0 формируются как результат представления бассейна в виде набора точечных источников отраженного сигнала (рис.23). В этом случае, Pp(f) может быть задана следующим образом: Рг(0 = Р0(О L е 1+ I -ш=1 ш О 1ш (2.6) 2jif где k(f) - волновой вектор, k(f) = , с - скорость звука в воде. с Pg(f) - давление, которое создавалось бы в области нахождения гидрофона в отсутствие дополнительных источников отраженного сигнала (в свободном поле). R9m =гт ґ0 ат - коэффициент отражения L - количество источников отраженного сигнала. Для гидрофона сравнения зависимость Рр (f) задается аналогично: РГС(0 = Р0ЕЗ(О jk(f)Rgs L е rs 1+ X m ш=1 m rs О Lm (27) PogsCO " Давление, которое создавалось бы в области нахождения гидрофона сравнения в отсутствие дополнительных источников отраженного сигнала (в свободном поле), Rgsm =rsm-rs0, rsm,rs0 -векторы, аналогичные векторам rm,rQ для гидрофона. Тогда из (2.4) - (2,7) следует: мг(0 мГс(0 p0gs(o L ejk(f)Rgn lm 1+ I m=I L eJk R rsf 1+ I m=l rsm lm ra ur(0 UrcW (2.8) P0(f) R2 Учитывая, что — = - -, (2.8) можно представить в следующем виде: P0gs(O Ri Mr(f) L ejk(№l4„ lm 1+ I m=l L e rs. rs m 1+ I m=I lm lm R, R МГс (0- - = 1(f) (2.9)
Рассмотрим ситуацию, когда Ri = R2, т.е. используется метод замещения. Пусть L = 50, источники отраженного сигнала расположены таким образом, что величина Rgm принимает случайные значения в диапазоне от 4.58 м до 20 м, а величина RgSm = Rgm + Д, Д « Ri, RI = 0.6 м, Д = 0.02м. Шаг по частоте 1=15.5 Гц. Спектр SM(n) логарифмической характеристики гидрофона Mlrc(f)=2Olog(Mrc(0) и спектр Sr(n) логарифмической характеристики бассейна приведен на рис.2.10. 100 ДБ 201og(SM(n)) 20log(Sr(n)) ТИ "і Г 4» , 1 Ї ІІ и п т — ГГУ { ни и и і І 1 1 - i"f 0 50 100 150 200 250 300 п Номер гармоники Рис.2.10. Спектр Si (n) логарифмической частотной характеристики гилрофона сравнения М1Гс(і) и спектр Sr- (п) логарифмической частотной характеристики бассейна в месте нахождения гидрофона.
Показаны только первые 300 гармоник, В данном случае Д = 0.02 м, т,е градуируемый гидрофон помещался в область бассейна, находящуюся на расстоянии не более 0,02 м от той области, где ранее находился гидрофон сравнения. На рис.2Л0 представлен спектр логарифмической частотной характеристики градуируемого гидрофона SM(n) и спектр Sr(n), соответствующий функции Ol(n) = 201og(Otn(n)), где Otn(n) - описывается следующей формулой:
Градуировка гидроакустического измерительного преобразователя с использованием непрерывных сигналов
Методы взаимности и замещения могут быть применены только к антеннам, имеющим незначительную длину. Для линейных антенн, обладающих значительной протяженностью, на сегодняшний день существует и используется лишь два основных метода градуировки. Первый метод, это градуировка подобной антенны в свободном поле [8,11]. Свободным полем называется однородная, безграничная среда. Идеальное свободное поле, конечно, реализовать невозможно. Большая часть затрат и усилий, вложенных в гидроакустические измерения, вызвана необходимостью создать достаточно хорошее приближение к условиям свободного поля или как-нибудь обойти «свободное поле». Отражающие границы, температурные градиенты, газовые пузырьки, морские организмы - все эти и другие факторы вносят свой вклад в искажение условий свободного поля. При измерении «в свободном поле» предположение о выполнении условий свободного поля остается основным, даже если для того, чтобы нейтрализовать искажения этих условий, применяются различные практические средства (звукопоглотители, корректировка результатов с учетом интерференции, создаваемой отражениями). Для измерений в свободном поле используются естественные водоемы, искусственные пруды и бассейны. Антенна размещается в водной среде на некотором полигоне, при помощи специального излучателя создается падающая волна и определяется диаграмма направленности антенны. Однако этот метод сопряжен с рядом трудностей. Во-первых, значительные размеры антенн приводят к увеличению размеров полигонов, на которых должно выполняться условие свободного поля. А с увеличением размеров полигонов увеличивается и число источников помех, нарушающих условия свободного поля. Во-вторых, создание падающей волны на натурном полигоне значительного размера для сверхнизких частот является достаточно сложной задачей. Так как длина антенн продолжает увеличиваться, то осуществление на практике градуировки линейных антенн этим методом становится все более сложным.
Другой подход к градуировке линейных антенн заключается в размещении градуируемой линейной антенны в трубе, в которой с помощью набора излучателей создается падающая на антенну бегущая волна. На сегодняшний день известны два варианта такого метода градуиропки линейных протяженных антенн в измерительной трубе, реализуемые в России [15,16,17,18,19,20,21] и в США [22,23,24,37,38,39]. Однако при реализации данного подхода возникает ряд существенных трудностей, связанных как с необходимостью одновременного возбуждения всех излучателей с соответствующими фазами и амплитудами, так и с необходимостью контроля существования бегущей волны в трубе. " Таким образом, существующие на сегодняшний день методы градуировки линейных антенн требуют значительных затрат уже при градуировке существующих на сегодняшний день антенн. Учитывая возможное увеличение длины антенн в ближайшем будущем, затраты обеспечение возможности их градуировки так же будут существенно увеличиваться. В данной главе рассматривается метод градуировки линейных гидроакустических антенн, позволяющий осуществлять градуировку как существующих на сегодняшний день, так и разрабатываемых антенн, избегая при этом возникновения указанных выше проблем. 3.2, Метод градуировки линейных гидроакустических антенн. Рис, 3.5. Градуировка антенны в свободном поле. В общем случае, чувствительность М (коэффициент преобразования) линейной приемной гидроакустической антенны, расположенной вдоль координаты X (рис. 3,5), определяется в соответствии со следующей формулой [2]: L\т(х)Реел"-к0 x)dx \реЛ -к?) где - Рс - амплитуда бегущей волны; - со - частота; t-время; - к- волновой вектор; - г-радиус вектор; - т(х) - коэффициент преобразования элемента антенны; 2тг - кк-проекция волнового вектора на координату X (kx =— cosy, где X -длина волны, А. у - угол между направлением распространения волны и осью X); - L-длина антенны. Бегущая волна Рсв х может быть представлена как суперпозиция двух стоячих волн: р.ЄУС«-М) = peJM(coskx-jsmkx) = Ре}0 coskx-jPceJa sinkx. С і Л J Л с Л с л Тогда, напряжение на выходе антенны может быть представлено в следующем виде : \m{x)PceJ{M k dx je \т{х)Рсcoskxxdx-j\tn(x)Pcsinkxxdx n.2) Таким образом, воздействуя на антенну двумя стоячими волнами с распределениями PccoskxXn Pcs mkxxt и проводя соответствующее суммирование, мы получим такой же результат, какой получили бы, воздействуя на антенну бегущей волной. Перейдем к рассмотрению стоячих волк РсСО$кхх и Рс$\пкххл В определенном приближении, их можно/, создать в трубе радиуса Д Я, в которой излучатели и приемники расположены друг от друга на расстоянии гораздо меньшем, чем длина падающей волны Д. Эш стоячие волны могут быть представлены как суперпозиция стоячих волн, создаваемых отдельными излучателями: I к=\ 4Л( () = С8М( %ВкРМ = РеъткА ы (3.3) где: Рк {xt) - это давление, создаваемое к-ым излучателем в точке расположения і-го приемника. Рассмотрим систему уравнений (3.3). Общее число уравнений составляет 2л { где п - это число приемников). Общее число неизвестных в данной системе уравнений равно 2№-2, где: N неизвестных - это коэффициенты Ак, N неизвестных - это коэффициенты Вк 9 а кроме того неизвестны значения Рс и кх ,
Обнаружение источников отраженного сигнала, с использованием метода замены измерительной системы набором точечных излучателей
Полученные результаты позволят во многих случаях оценить как местонахождение источников отраженного сигнала, связанных с элементами конструкции, так и степень влияния этих источников на чувствительность гидрофона. Предложенный алгоритм был проверен с использованием диаграмм направленности для ряда гидрофонов,
Таким образом, в представленной диссертационной работе получены следующие результаты:
1. Разработан метод градуировки гидроакустических измерительных модулей в лабораторных измерительных бассейнах, позволяющий получить характеристики модуля для сигналов, близких к сигналам с равномерной спектральной плотностью в 1/3 октавной полосе частот. Проведены моделирование метода для диапазона частот 2 кГц - 100 кГц, оценка погрешностей, практическая апробация и его внедрение в состав создаваемых эталонных установок в рамках ОКР, выполняемых во ФГУП "ВНИИФТРИ",.
2. Разработан метод градуировки гидроакустических измерительных преобразователей с использованием непрерывных сигналов, позволяющий существенно снизить минимальную частоту, для которой возможно осуществление градуировки в гидроакустических лабораторных измерительных бассейнах, и увеличить соотношение сигнал/помеха при измерениях. Осуществлено его моделирование и апробация для определения метрологических характеристик гидроакустических систем в диапазоне 500-40670 Гц с погрешностью не более 1 дБ. Планируется внедрение данного метода при создании эталонных установок в рамках ОКР, проводимых во ФГУП"ВНИИФТРИ \
3. Осуществлена разработка, моделирование и оценка погрешностей для метода градуировки линейных протяженных гидроакустических антенн в измерительной трубе, основанного на использований рбйкции антенны на распределение давления, которое создается отдельным излучателем. Этот" подход позволяет избежать возникновения проблем, связанных с разработкой сложной аппаратуры, обеспечивающей создание бегущей волны в измерительной трубе и реализацию методов контроля ее параметров. Моделирование метода осуществлено для трубы, имеющей длину 50 м и диаметр 1.56м для длин волн от 6 до 30м. 4. Разработан алгоритм обнаружения источников отраженного сигнала и определения степени их влияния на характеристики измерительной системы. Осуществлено его моделирование и практическая апробация с использованием реальных гидрофонов. Совокупность предложенных методов обеспечивает повышение точности и достоверности гидроакустических измерений как на уровне создаваемых эталонов, так и современных и перспективных рабочих средств Список литературы L Р. Боббер. Гидроакустические измерения. Мир. - М. - 1974 2. Л.Ф. Лепенднн. Акустика. Высшая школа. - М. - I97S З.В.С. Бурдик Анализ гидроакустических систем- Судостроение. -Л. -1988 4. Е. Скучик. Основы акустики. Том 1, Том 2. Мир. - М. -1976 5. И- Толстой, К. О. Клей, Акустика океана. Мир. - М. - 1969. 6. И. И. Клюкин, А, Б. Колесников. Акустические измерения в судостроении. Судостроение.-Л. - 1982. I. Л, Блинова, А. Е. Колесников, Л. В. Лангано. Акустические измерения. Издательство стандартов. - М- - 1982 8. А. М. Тюрин. Теоретическая акустика. - Л. - 1971. 9. Р- Дж. Урик. Основы гидроакустики. Судостроение. - Л, - 1978. 10. Л. Камп. Подводная акустика. Мир. - М. - 1978. II. Г. М- Свердлин. Прикладная гидроакустика. Судостроение. - Л. - 1990. 12. М, Д. Омарышев. Направленность гидроакустических антени. - 1991 13. М.А. Земельман. Метрологические основы технических измерений. Издательство стандартов. - М, - 1991. 14. Дмитриевский Н.Н., Павлов Л.Е., Сильвестров СВ. Применение импедансного метода для определения чувствительности пьезоэлектрических приёмников звука Акустический журнал.- 1976.-Т. 221, вып. 3. -С. 357-361. 15. Некрасов В.Н., Савостин Ю.М. Гидростеид для градуировки протяженных гидроакустических антенн: Сб. тез. докл. 3 конференции стран СНГ по морской сейсмологии и сейсмометрии. -М. - 1993, -С. 76-77 16. Некрасов Б.Н., Савостин Ю.М. Способ моделирования гидроакустических полей. Патент РФ на изобретение № 2116705 от 27.07.98 17; Некрасов В.Н., Савостин Ю.М, Способ моделирования сложных пространственных структур гидроакустического поля для решения задачи калибровки приемных систем. Проблемы измерений параметров гидроакустических полей и обработки информации. Сборник трудов. ГП "ВНИИФШГ - М. - 1999. 18. Савостин Ю.М. Аналитическое решение задачи моделирования поля плоской волны в узкой протяженной гидрокамере. Проблемы и методы гидроакустических измерений. Сборник трудов, ФГУП "ВНИИФТРИ" - М. 2003 19. Савостин Ю.М. Акустическое поле в узкой протяженной гидрокамере при моделировании поля плоской волны. Проблемы и методы гидроакустических измерений. Сборник трудов. ФГУП "ВНИИФТРИ"- М. 2003 20, Некрасов В,Н., Савостин Ю.М Установка для калибровки линейных гидроакустических антенн. Патент РФ на изобретение № 2258326 от 10.08.2005
2L Некрасов В.Н., Савостин Ю.М. Первые результаты измерения параметров линейных гидроакустических антенн в КТС "СТЕНД". Научно-техническая конференция "Проблемы метрологии и гидрофизических измерений ПМГИ-2006" Материалы конференции. ФГУП "ВНИИФТРИ" - М. 2006.
22. Zaiesak J,, Rogers P. Directional Line-Hydophone Array CaHbratop, US Patent №4468760, Int. CI. HO4R29/00, US CL 367-13,73/1 DV, Aug. 28,1984.
23. Luker LTX, Zaiesak J,F., Free-field calibration of long underwater acoustic arrays in a closed chamber, JASA, 90(5), November 1991, pp 2652-2657,
24. Luker L.D,T Zaiesak J.R, Brown CK , Scott R.E. Automated digital benchtop calibration system for hydrophone arrays. JASA-April 1983 Vol. 73, Issue 4, PP12I2-12I6. 25.Эль-СамХ.МА„ Акустическая голография. Глава 1. Судостроение,-Л. - 1975. 26. ЮЛ.Островский. Элементарная голография. "Материалы второй Всесоюзной школы по голографии", ФТИ, - JL, - 1971 27. С.М.Рытов. Физические основы голографии, "Материалы первой Всесоюзной школы по голографии , ФТИ, - Л., -1971 28. Антошин В.А., Розенберг В.Я. Современное состояние средств измерений характеристик случайных процессов и полей. Обзорная информация. Серия образцовые и высокоточные методы измерений. - М. - 1977. ВНИИФТРИ. ВНИИКИ. 29. Володарский В.А., Розенберг В.Я., Рубичеэ Н.А. О влиянии на точность измерения несоответствия исследуемого объекта приписываемой ему модели. Труды 2 Всесоюзного симпозиума "Методы представления и аппаратурный анализ случайных процессов и полей", том 2. - Новосибирск. - 1969.
30. Антошин В.А., Розенберг ВЛ. Определение параметров стационарного процесса методом сравнения одномерных законов распределения. Труды 1 Всесоюзного симпозиума "Методы представления и аппаратурный анализ случайных процессов и полей", том 2. - Новосибирск. - 1968.
3L Ольшевский В.В., Розенберг В.Я Проблема оценки адекватности вероятностной модели случайного процесса в статистических измерениях. Материалы 1 Всесоюзной конференции "Теория и практика измерений статистических/вероятностных характеристик".-Л. - 1973.
