Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Научные и технические проблемы повышения точности воспроизведения и передачи единицы звукового давления гидроакустическим СИ в условиях свободного поля 26
1.1. Воспроизведение и передача единицы звукового давления на гармонических сигналах 26
1.2. Градуировка рабочих СИ, применяемых при измерениях уровней подводного шумоизлучения 32
Глава 2. Разработка модифицированной процедуры градуировкигидрофонов по полю методом взаимности 40
2.1. Влияние рассеяния на погрешность стандартной измерительной процедуры метода взаимности 40
2.2. Функция неопределенности приведенного передаточного импеданса излучателя и приемника в поле, возмущенном рассеянной волной 45
2.3. Оценивание приведенного передаточного импеданса излучателя и приемника в невозмущенном поле сферической волны 50
2.4. Определение координат эквивалентных источников рассеяния 52
2.5. Пространственная реконструкция источников рассеяния при градуировке гидрофона 64
2.6. Операции модифицированной процедуры градуировки гидрофона по полю методом взаимности 69
2.7. Выводы к главе 2 77
Глава 3. Уменьшение составляющих погрешности измерений и совершенствование эталонных установок свободного поля 79
3.1. Совершенствование техники излучения и приема при измерениях в гидроакустическом бассейне 79
3.2. Уменьшение погрешности, обусловленной случайной помехой 84
3.3. Уменьшение влияния электрической перекрестной помехи 87
3.4. Повышение точности измерения расстояния между излучателем и приемником 91
3.5. Уменьшение погрешности, обусловленной нарушением критерия взаимности обратимого преобразователя 94
3.6. Уменьшение погрешности измерения отношения напряжений 95
3.7. Уменьшение искажений поля подводными конструкциями эталона 96
102
3.8. Проблемы реализации метода акустической голографии при исследованиях рассеивателей на штангах
3.9. Экспериментальные исследования «акустически обтекаемых» излучателя и обратимого преобразователя
3.10. Оптимизация формы измерительного гидрофона 105
3.11. Уменьшение погрешности, вызванной затеняющим гидрофоном 109
3.12. Выбор интервала измерительных расстояний 114
3.13. Влияние параметров воды на погрешность измерений 117
3.14. Временная стабильность гидрофона 122
3.15. Подготовка гидрофона 123
3.16. Позиционирование гидрофона 124
3.17. Выводы к главе 3 125
Глава 4. Реализация методов повышения точности измерений в эталонных установках 127
4.1. Основные сведения об эталонных установках ГЭТ 55-91 127
4.2. Рабочий эталон 2-го разряда «М-13» 132
4.3. Установка Государственного вторичного эталона ВЭТ 55-96 135
4.4. Исходный ведомственный эталон в диапазоне частот 141 2,5 - 200 кГц
4.5. Пути совершенствованию первичного эталона 143
4.6. Проблемы повышения точности измерений, связанные со свойствами гидрофона 146
4.7. Организационные аспекты повышения точности градуировки гидрофонов 152
4.8. Выводы к главе 4 157
Глава 5. Первые международные ключевые сличения калибровок гидрофонов в условиях свободного поля 159
5.1. Участники первых ключевых сличений 159
5.2. Суммарные неопределенности измерений и их составляющие 161
5.3. Оценка расширенной неопределенности измерений
5.4 Результаты калибровок гидрофонов- эталонов сличений 169
5.5 Анализ результатов ключевых сличений 174
5.6 Выводы к главе 5 181
Глава 6. Градуировка средств измерений уровней подводного шума
6.1. Чувствительность гидрофона при измерениях подводного шума 182
6.2. Чувствительность гидрофона в полосе частот 184
6.3. Исключение влияния отражений при градуировке гидрофона в лабораторном бассейне в режиме непрерывного излучения 190
6.4. Реализация метода СКВУ при измерениях в отражающем бассейне 198
6.5. Градуировка гидрофонов по полю методом взаимности при непрерывном излучении в отражающем бассейне 204
6.6 Выводы к главе 6 210
Глава 7. Исследование и градуировка гидроакустического измерительного модуля в лабораторном бассейне
7.1. Функция неопределенности чувствительности ГМ в полосе частот
7.2. Расстояние дальнего поля при приеме широкополосных сигналов в стандартных дробь-октавных полосах частот
7.3. Исследование характеристик ГМ в условиях лабораторного бассейна
7.4. Применение методов акустической голографии при исследованиях источников вторичного поля
7.5. Определение эффективного размера по характеристикам направленности ГМ в полосах частот
7.6. «Акустически обтекаемая» форма ГМ 238
7.7. Выводы к главе 7 241
Основные результаты выполненной работы 243
Литература
- Градуировка рабочих СИ, применяемых при измерениях уровней подводного шумоизлучения
- Функция неопределенности приведенного передаточного импеданса излучателя и приемника в поле, возмущенном рассеянной волной
- Уменьшение погрешности измерения отношения напряжений
- Установка Государственного вторичного эталона ВЭТ 55-96
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена совершенствованию государственной системы обеспечения единства гидроакустических измерений.
Работа включает результаты исследований и разработки методов и средств повышения точности воспроизведения и передачи единицы звукового давления в водной среде в условиях свободного поля, полученные автором при выполнении в ФГУП «ВНИИФТРИ» работ, предусмотренных комплексной программой метрологического обеспечения предприятий и организаций судостроительной промышленности и Министерства обороны РФ, комплексной программой развития государственной системы метрологического обеспечения гидрофизических и гидроакустических измерений «Метрология-М», при создании эталонной базы ведомственной системы обеспечения единства измерений звукового давления в водной среде (Постановление Правительства РФ № 125-10 от 21.02.02 г.), выполнении ряда НИР и ОКР.
1.1. Актуальность исследования
Метрологическое обеспечение гидроакустических измерений является одним из основных направлений научно-технической деятельности ВНИИФТРИ как Государственного метрологического центра РФ.
Работы по созданию первых измерительных установок для градуировки гидрофонов начинались во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева и были продолжены во ВНИИФТРИ под руководством И.Г. Русакова, а впоследствии А.Н. Голенкова. К концу 60-х годов были достигнуты значительные успехи в разработке оригинальных методов градуировки гидрофонов. В 1965-1968 гг. лаборатория гидроакустических измерений ВНИИФТРИ успешно участвовала в международных сличениях национальных эталонов, по результатам которых вошла в число лабораторий, лидирующих в этой области. Разработанные А.Н. Голенковым и Л.Е. Павловым методы градуировки гидрофонов в камере малого объема были стандартизованы МЭК и принесли ВНИИФТРИ международное признание.
Разработка эффективных методов и средств воспроизведения звукового давления и градуировки гидрофонов позволили создать первые в России эталоны (ГЭТ 55-74, ГЭТ 103-76, ВЭТ 55-1-80 и ВЭТ 55-1-84), образцовые средства измерений (СИ) и оснастить ими ведомственные метрологические службы. Была сформирована государственная система и завершен первый этап работ по обеспечению единства гидроакустических измерений в стране. Единство измерений регламентировалось ГОСТ 8.233-77, МИ 1620-87, локальной поверочной схемой НПО «ВНИИМ», которые определяли порядок передачи единицы звукового давления в водной среде 45 исходным и образцовым установкам, а также рабочим СИ в диапазоне частот от 0,01 Гц до 200 кГц.
Одним из стимулов динамичного развития гидроакустических измерений являются задачи обеспечения безопасности корабля. Современные требования к подводной шумности находятся на пределе технических возможностей производителя, что при больших затратах на создание корабля требует высокой достоверности при оценке соответствия параметров его шумоизлучения норме, устанавливаемой при испытаниях. Высокая точность измерения уровней подводного шумоизлучения (УПШ) позволяет приблизить значение контрольного допуска к заданной норме и снизить риски производителя и потребителя. Неуклонное снижение уровней подводного шумоизлучения породило проблему измерений при соотношении сигнал/помеха меньше единицы и поставило перед метрологами принципиально новые и чрезвычайно сложные задачи по созданию нового класса измерительных систем, методов когерентной пространственно-временной обработки, обеспечивающих высокую помехозащищенность при получении детального акустического «портрета» объекта и среды. В таких условиях метрологическое обеспечение гидроакустических измерений стало ключевой задачей в проблеме достоверной оценки уровня паритета отечественных и мировых достижений. Большой вклад в развитие методов измерения характеристик акустического поля корабля внесли ученые ВНИИФТРИ: Маслов В.К., Бухштабер В.М., Трохан А.М., Теверовский В.И., Цыганков С.Г., Некрасов В.Н., Торопов В.Н. и другие.
Об уровне развития и большом внимании, уделяемом гидроакустическим измерениям за рубежом, свидетельствует тот факт, что за последние 30 лет точность национальных эталонов увеличилась в 5-7 раз. Расхождения участников, показавших лучшие результаты на международных сличениях в 1965-1968 гг., достигали 3 дБ. Опорные значения на ключевых сличениях 2000-2003 гг. фактически определили участники, заявившие расширенные неопределенности результатов измерений от 0,3 до 0,4 дБ.
Уже к концу 80-х годов созданные эталоны и поверочные схемы не смогли в полной мере соответствовать выдвигаемым практикой требованиям к точности рабочих СИ. Ужесточение показателей достоверности измерений, как в лабораторных, так и в натурных условиях, усложнило задачи метрологического обеспечения, привело к необходимости разработки и создания нового Государственного эталона ГЭТ 55-91, гидрофонов -эталонов 1-го разряда с улучшенными характеристиками, автоматизированных рабочих эталонов для градуировки гидрофонов, новой поверочной схемы МИ 1620-92 с элементами децентрализации.
Изменения законодательства в области метрологии, принятие законов «Об обеспечении единства измерений» и «О техническом регулировании», Постановление Правительства № 100 1994 г. и Постановление Госстандарта РФ № 10 1997 г. потребовали существенной модернизации и развития всей системы обеспечения единства гидроакустических измерений в России. Для решения поставленных задач была разработана долговременная комплексная программа развития государственной системы метрологического обеспечения гидрофизических и гидроакустических измерений, объединившая 45 научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на обеспечение нужд потребителей с учетом перспективы. Достижения в этой области в значительной мере связаны с деятельностью ученых-метрологов ВНИИФТРИ: Сильвестрова С.В., Енякова А.М., Платонова В.А., Черникова В.З., Некрича С.Ф., которым автор признателен за многолетнее и плодотворное сотрудничество.
Необходимость снижения погрешности рабочих СИ заставила повысить точность государственных первичного и вторичного эталонов в 2-3 раза, значительно расширить частотный диапазон градуировки по полю в область низких частот (с 3,15 кГц до 250 Гц), создать рабочие эталоны 2-го разряда для градуировки измерительных гидрофонов с погрешностью 0,6-1 дБ, разработать методы и создать специализированные эталоны для градуировки гидроакустических модулей (ГМ), применяемых для измерения УПШ в морских условиях.
С технической стороны проблема повышения точности градуировки гидрофонов по полю усложнена большим числом факторов, влияющих на погрешность измерений: широкий частотный и динамический диапазоны измеряемой величины, соизмеримость уровней полезного сигнала и случайной помехи, перекрестное влияние излучающего и приемно-измерительного трактов, искажения сигнала переходными процессами, искажения звукового поля рассеянием, неидеальность характеристик преобразователей, нестабильность среды распространения акустического сигнала, непредсказуемость параметров неконтролируемых факторов, таких, как вибрации, шумы, электромагнитные наводки, а также большое число других разнородных факторов, влияние которых исключить либо минимизировать весьма сложно.
Научная сторона проблемы обусловлена тем, что возможности повышения точности процедур градуировки, изложенных в стандарте МЭК 565 1974 г., на сегодня оказались практически исчерпанными. Метод взаимности для градуировки гидрофонов, разработанный Маклеаном и Куком в 1940-41 гг., всесторонне и тщательно исследован. Совершенствование техники измерений привело к тому, что основным фактором, определяющим точность эталонов (градуировки гидрофона) стали искажения поля, обусловленные рассеянием звуковой волны, ослабить которое в достаточной мере не удавалось. Известные электроакустические и электромеханические модели не учитывают влияние рассеяния на элементах конструкции реального гидрофона и систем его крепления. Представление излучателя и приемника в стандартных процедурах градуировки как точечных (координатами акустических центров излучения и приема) вынуждает учитывать рассеяние как источник погрешности, но не позволяет исключить его влияние на результат градуировки. Таким образом, рассеяние звуковой волны и несовершенство стандартных измерительных процедур относятся к числу основных факторов, препятствующих повышению точности градуировки гидроакустических приемников по полю. Принятый в 2006 г. стандарт МЭК 60565 не содержит существенных новшеств, касающихся измерений в свободном поле. Это является наглядным свидетельством существования проблемы, обусловленной отсутствием новых идей и подходов, которые позволяли бы существенно повысить точность градуировки гидрофона по полю, и актуальности исследований в этом направлении.
Повышение точности и поддержание соответствия характеристик государственного первичного эталона уровню лучших мировых достижений приобрели особую значимость с подписанием в 1999 г. метрологическими институтами Госстандарта (Ростехрегулирования) Соглашения о взаимном признании национальных эталонов и сертификатов калибровок и измерений, выдаваемых национальными метрологическими институтами. Необходимость постоянного подтверждения на международном уровне измерительных и калибровочных возможностей в области гидроакустических измерений явилась дополнительным стимулом повышения точности не только воспроизведения звукового давления в водной среде, но и передачи единицы рабочим СИ.
Следует считать, что улучшение метрологических характеристик действующего государственного первичного эталона, создание первичного эталона нового поколения, разработка современных методов и высокоточных средств для воспроизведения и передачи единицы звукового давления рабочим СИ, совершенствование звеньев поверочной схемы являются весьма актуальными задачами, составляют научную и техническую основу развития государственной системы обеспечения единства гидроакустических измерений, непосредственно связаны с темпами научно-технического прогресса и требуют постоянных активных усилий.
1.2. Цель и задачи исследования
Целью работы является совершенствование системы обеспечения единства и достоверности гидроакустических измерений, расширение возможностей и повышение точности градуировки гидроакустических измерительных приемников на частотах от сотен Гц до 1 МГц, включая:
- повышение точности градуировки гидроакустических измерительных приемников в условиях свободного поля;
- расширение частотного диапазона градуировки по полю в область низких частот;
- обеспечение возможности градуировки в лабораторном бассейне гидрофонов совместно с носителем, применяемым в условиях морской акватории.
Поставленная цель потребовала решения ряда исследовательских и научно-технических задач:
- выявление доминирующих источников погрешности при градуировке приемников звукового давления в водной среде по полю;
- разработка методов определения параметров источников рассеяния на преобразователях и подводных конструкциях эталона;
- разработка алгоритма оценивания передаточного импеданса излучателя и приемника в невозмущенном поле сферической волны по результатам измерений в поле, искаженном рассеянной волной;
- создание модифицированной процедуры градуировки гидрофона по полю методом взаимности, исключающей влияние рассеяния на погрешность градуировки;
- реализация в эталонных установках техники когерентного накопления, излучения и приема сигналов и их квадратурных дополнений;
- разработка измерительной процедуры для градуировки гидрофона по полю в незаглушенном бассейне при использовании непрерывного излучения;
- введение понятия чувствительности в полосе частот и формулировка на основе этого понятия определения чувствительности приемника звукового давления, применяемого для измерений уровней подводного шума;
- обоснование возможности и разработка метода градуировки в полосах частот гидроакустического измерительного модуля, область ближнего поля которого превышает размеры рабочей зоны лабораторного бассейна;
- создание эталонных измерительных установок, реализующих разработанные автором методы, их метрологическое исследование и применение в составе эталонов всех уровней (от государственного первичного до рабочего 2-го разряда).
1.3. Основные научные результаты работы
1) Разработана новая методика градуировки гидрофонов по полю, основанная на представлении излучателя и приемника в виде систем, состоящих из акустического центра излучения (приема) и эквивалентных локализованных источников рассеяния, а также на разработанном методе определения параметров источников с использованием согласованной пространственной фильтрации зависимости передаточного импеданса от расстояния между излучателем и приемником.
2) Предложен способ расширения частотного диапазона градуировки гидрофона по полю в бассейне с минимальным размером 6 м в область низких частот с 3,15 кГц до 0,5 кГц, заключающийся в уменьшении крутизны наклона частотной характеристики излучения в сочетании с использованием широкополосного приема и когерентного накопления тонально-импульсного сигнала и его квадратурного дополнения.
3) Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что использование предложенного и нетрадиционного для гидроакустики понятия чувствительности в полосе частот применительно к гидрофону для измерений уровней шумоизлучения позволяет:
- уменьшить погрешность гидроакустического спектрометра за счет учета неравномерности частотной характеристики гидрофона в частотной полосе фильтра,
- обеспечить возможность градуировки в лабораторном бассейне приемника, область ближнего поля которого превышает по протяженности размеры рабочей зоны бассейна,
- определять чувствительность в полосе частот расчетным путем по подробной частотной характеристике приемника вне зависимости от вида используемого сигнала и способа получения частотной характеристики.
4) Предложен метод скользящего комплексного взвешенного усреднения частотной зависимости системы излучатель – отражающий бассейн – приемник, позволяющий получать при непрерывном излучении полосового сигнала детальные частотные характеристики излучателя и приемника в свободном поле с точностью, не уступающей условиям тонально-импульсного излучения. Применение метода позволяет расширить диапазон градуировки гидрофонов по полю в бассейне с минимальным размером 6 м в область низких частот до 250 Гц.
5) Показано, что при градуировке приемника звукового давления по полю минимальное расстояние между излучателем и приемником определяется протяженностью формируемой приемником области вторичного излучения. На основании исследованной автором зависимости эффективного размера приемника в полосах частот от ширины полосы частот показана возможность существенно сократить расстояние между излучателем и приемником при градуировке в 1/n-октавных полосах частот. Это позволило автору разработать метод градуировки и впервые в отечественной практике градуировать в лабораторном бассейне в стандартных 1/3-октавных полосах частот крупногабаритные гидроакустические модули (ГМ).
6) Исследованная автором зависимость характеристики направленности ГМ в полосах частот от удаленности источника вторичного излучения относительно точки приема позволила разработать метод определения эффективного размера ГМ в 1/n-октавных полосах частот, не применяя сложных измерительных процедур акустической голографии для реконструкции пространственной структуры формируемой ГМ области вторичного излучения.
7) Проведенные метрологические исследования и участие в международных ключевых сличениях CCAUV.W-K1 позволили автору обосновать и подтвердить бюджет составляющих неопределенности калибровки гидрофонов в условиях свободного поля с наименьшей среди участников ключевых сличений стандартной расширенной неопределенностью.
Таким образом, основные научные результаты работы являются научным обоснованием разработанных научно-технических решений, внедрение которых вносит значительный вклад в совершенствование государственной системы обеспечения единства гидроакустических измерений и, прежде всего, эталонной базы для воспроизведения и передачи единицы звукового давления рабочим средствам измерения на более высоком уровне точности, ориентированном на современные и перспективные требования науки и практики, в том числе военной гидроакустики.
1.4. Теоретическая и методологическая основа исследований
Теоретическую и методологическую основу исследований составили научные труды отечественных и зарубежных авторов в области метрологии, гидроакустических измерений, измерений в воздушной акустике, теории радиотехнических систем, радиолокации и голографии, методы обработки измерительных данных, а также проведенные соискателем экспериментальные и теоретические исследования, математическое и физическое моделирование, макетирование основных узлов разрабатываемых эталонных СИ, метрологические исследования разрабатываемых методов и СИ для выявления источников их погрешностей, составление и обоснование бюджета неопределенностей, анализ результатов международных и ключевых сличений.
Экспериментальные и теоретические исследования применялись для выявления доминирующих составляющих погрешности измерительных процедур метода взаимности и градуировки рабочих СИ, а также оценки эффективности разработанных в диссертации методов их уменьшения и исключения.
Следующие процедуры (методики), разработанные в ходе исследований, позволили уменьшить погрешности и расширить частотный диапазон измерений в свободном поле в область низких частот:
- применение подвижных прецизионных автоматизированных систем позиционирования преобразователей,
- применение когерентного накопления в сочетании с широкополосным приемом,
- уменьшение крутизны наклона частотной характеристики излучения на низких частотах,
- поочередное излучение и прием сигнала и его квадратурного дополнения,
- использование скользящего комплексного взвешенного усреднения частотной зависимости системы излучатель – отражающий бассейн – приемник, полученной при непрерывном излучении полосовых сигналов.
Задачи реконструкции пространственного распределения источников вторичного излучения решались методом замещения рассеивающей неоднородности конечным числом локализованных эквивалентных источников с использованием математической процедуры согласованной пространственной фильтрации. При разработке модифицированной процедуры градуировки гидрофона по полю методом взаимности применены методы акустической голографии и математический аппарат теории оценивания.
Для оценивания времени установления выходного напряжения приемника и нижней частоты градуировки гидрофона по полю в незаглушенном бассейне использован комплексный кепстральный анализ.
При разработке метода градуировки приемников звукового давления в полосах частот применена теория случайных процессов. Теоретические методы включали также анализ погрешностей, обработку и интерпретацию экспериментальных данных, математическое моделирование на ПК исленных экспериментов.
1.5. Научная новизна полученных результатов
К началу настоящей работы состояние эталонной базы в области гидроакустических измерений перестало соответствовать требуемой точности измерения параметров гидроакустического поля корабля, что снижало достоверность оценки одной из основных характеристик, определяющих скрытность действий корабля, защиту от поражения минно-торпедным оружием, а также эффективность его собственных систем гидроакустического обнаружения целей.
Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в том, что
1) Впервые разработан и реализован метод определения параметров рассеяния звуковой волны в точку приема корпусами преобразователей и подводными конструкциями эталонной установки, основанный на использовании экспериментальной зависимости передаточного импеданса излучателя и приемника от частоты или расстояния между излучателем и приемником.
2) Впервые разработан способ оценивания передаточного импеданса излучателя и приемника в свободном поле сферической звуковой волны по результатам измерений передаточного импеданса в присутствии рассеянной волны.
3) Разработана новая методика градуировки гидрофонов по полю методом взаимности (модифицированная процедура метода взаимности), которая позволяет исключать влияние интерференционных искажений звукового поля на погрешность градуировки. Методика аппаратно и программно реализована во вторичном эталоне, что значительно повысило точность градуировки гидрофонов.
4) Разработан и реализован новый метод оценивания частотной характеристики пары излучатель-приемник в свободном поле с использованием скользящего комплексного взвешенного усреднения частотной зависимости пары в поле, искаженном отражениями. На основе метода разработан и реализован способ градуировки гидрофонов по полю при непрерывном излучении полосового сигнала в отражающем бассейне.
5) Впервые предложено определять чувствительность приемника звукового давления в полосе частот, что позволило исключить несоответствие величин в уравнении измерений гидроакустическим спектрометром, более корректно учесть неравномерность частотной характеристики приемника и повысить за счет этого точность СИ уровней подводного шума.
6) На основе предложенного понятия границы пространственной области коррелированных в полосе частот источников рассеяния впервые разработан и реализован метод градуировки крупногабаритных гидроакустических измерительных модулей (ГМ), область ближнего поля которых превышает по протяженности размеры рабочей зоны бассейна.
7) Впервые разработан метод экспериментального определения эффективного размера ГМ в заданных полосах частот, что необходимо для оценивания минимального расстояния между излучателем и модулем при градуировке модуля в бассейне.
8) Предложен новый подход к оцениванию времени установления измерительного сигнала при градуировке гидрофона по полю с использованием тонально-импульсного излучения. На его основе разработаны способы расширения частотного диапазона градуировки в отражающем бассейне в область низких частот за счет уменьшения крутизны наклона частотной характеристики излучения.
9) Разработанные автором методы уменьшения погрешностей, проведенные метрологические исследования, а также созданные на их основе эталонные установки позволили принять участие в первых международных ключевых сличениях калибровок гидрофонов по полю в диапазоне частот от 1 до 500 кГц CCAUV.W K1, обосновать и подтвердить бюджет составляющих неопределенности измерений с наименьшей среди участников сличений стандартной расширенной неопределенностью.
1.6. Практическая значимость и реализация результатов работы
Практическая реализация результатов диссертационной работы в в/ч 78302, в/ч 90460, в/ч 51389, в/ч 90720, в/ч 90720-3 позволила повысить эффективность решения оборонных задач.
Результаты диссертационной работы использованы:
- в Государственном специальном первичном эталоне ГЭТ 55-91;
- при участии в первых международных ключевых сличениях CCAUV.W-K1;
- при разработке эталонных установок Государственного первичного эталона ГЭТ 55-2008;
- в исходном ведомственном эталоне (утвержден актом Федерального Агентства по Техническому Регулированию и Метрологии от 10.11.2005);
- в рабочих эталонах 2-го разряда и в конструкции гидрофонов - рабочих эталонов 1-го разряда (КРЭ) государственной и ведомственной поверочных схем;
- в специализированных рабочих эталонах МБ1, МБ2 для исследования метрологических характеристик и градуировки приемников звукового давления, применяемых в СИ уровней подводного шума.
Рабочие эталоны внесены в государственный реестр СИ, что удостоверяется сертификатами RU.E.36.018.B: № 31369, № 31368, № 16487, № 22289, № 20421, № 17681, № 9925; RU.E.28.018.B № 12506 и приняты в эксплуатацию.
В перечисленных эталонных установках реализованы следующие разработки автора:
- метод определения чувствительности в полосах частот по результатам измерения детальной частотной характеристики приемника звукового давления;
- метод градуировки приемников звукового давления по полю при непрерывном излучении полосового сигнала в незаглушенном бассейне;
- методы определения параметров источников рассеяния и вторичного излучения;
- метод определения эффективного размера ГМ при градуировке в дробь-октавных полосах частот;
- способы уменьшения крутизны наклона частотной характеристики системы излучатель-приемник (коррекция характеристики излучения, предыскажение генерируемого сигнала, редактирование частотной зависимости системы излучатель – незаглушенный бассейн – приемник);
- предложения, обеспечивающие малое рассеяние падающей звуковой волны в точку приема подводными конструкциями и эталонными преобразователями;
- широкополосный прием и накопление когерентных квадратурно-дополненных сигналов.
Полученные автором результаты обеспечили уменьшение погрешности градуировки гидрофонов и создание рабочих эталонов для новой государственной поверочной схемы (взамен МИ 1620-92), предусматривающей фактически полное обновление эталонной базы в области гидроакустических измерений на новом уровне точности в расширенном диапазоне частот. Заявленные ВНИИФТРИ калибровочные возможности внесены в базу международных CMC-данных (три строки), представленных на сайте Международного бюро мер и весов (МБМВ).
Практическая реализация результатов диссертационной работы в Метрологической службе Военно-морского флота, ОАО «Санкт-Петербургское Морское бюро машиностроения «Малахит», ФГУ «32 ГНИИИ Минобороны России», ФГУП «ВНИИФТРИ» подтверждена актами внедрения.
1.7. Апробация результатов исследований
Достоверность результатов исследований подтверждена как теоретическими, так и многочисленными экспериментальными исследованиями, метрологическими исследованиями разработанных методов и СИ, результатами испытаний для целей утверждения типа СИ созданных под руководством и при непосредственном участии автора эталонных установок, практикой применения эталонов и разработанных методов измерений в повседневной метрологической деятельности. Убедительным подтверждением достоверности выводов диссертации являются результаты первых международных (с участием семи стран) ключевых сличений, а также результаты международных сличений 473/RU/09.
Материалы, включенные в диссертационную работу, докладывались на всесоюзных, всероссийских и международных конференциях: VI всесоюзная конференция «Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации», Москва-1987; всесоюзные (всероссийские) НТК «Проблемы метрологии гидрофизических измерений», Москва-1990,-1992,-2001,-2006; VI сессия российского акустического общества «Акустика на пороге ХХI века», Москва-1997; XXV конгресс акустического общества Италии, Перуджа-1997; IV европейская конференция по подводной акустике, Рим-1998; II международный симпозиум по гидроакустике, Польша, Гданьск-Юрата-1999; международная конференция акустического общества Великобритании «Градуировка и измерения в подводной акустике», Лондон-2003; V - VII всероссийские НТК «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в РФ», Мытищи-2004,-2006;-2008; V международная конференция акустического общества Индии «ADMET-2005», Дели-2005; II международная конференция «Гидроакустические измерения, технологии и применения», Греция, Ираклион-2007; V заседание технического комитета КООМЕТ ТК 1.2 «Акустика. Ультразвук. Вибрация», Санкт-Петербург-2008; европейская конференция по подводной акустике, Париж-2008; НТК «Системы 2008. Метрология. Стандартизация. Сертификация», Львов-2008.
Модифицированная процедура градуировки методом взаимности прошла экспертизу в Национальной физической лаборатории Великобритании и одобрена при подведении итогов ключевых сличений на V сессии консультативного комитета по акустике, ультразвуку и вибрации (CCAUV) Международного комитета по мерам и весам (МКМВ).
Метод градуировки гидрофона по полю при непрерывном излучении в отражающем бассейне представлен и с большим интересом принят на VI сессии CCAUV МКМВ, метод применен для низкочастотной калибровки гидрофонов по полю на международных сличениях 473/RU/09, техническое решение защищено Патентом РФ № 2390968.
Предложение стандартизовать в качестве опорных условий температуру воды и глубину погружения гидрофона одобрено рабочей группой региональных метрологических организаций МКМВ и будет опробовано на предстоящих ключевых сличениях.
Созданная под руководством и при непосредственном участии автора автоматизированная измерительная установка для градуировки гидрофонов по полю (установка свободного поля) экспонировалась на ВДНХ СССР, награждена золотой и двумя бронзовыми медалями выставки, и послужила прототипом установок свободного поля Государственного эталона ГЭТ 55-91.
1.8. Положения, выносимые на защиту
1) Модифицированная процедура градуировки гидрофонов по полю методом взаимности позволяет выделять влияние рассеяния на результат градуировки гидрофона и получать как чувствительность активного элемента гидрофона, так и чувствительность гидрофона с учетом рассеяния на его конструкции.
2) Метод определения параметров источников рассеяния на преобразователях и подводных конструкциях эталонной установки по зависимости передаточного импеданса пары излучатель-приемник от расстояния между излучателем и приемником и алгоритм оценивания передаточного импеданса в свободном поле позволили уменьшить до малозначимых величин погрешность, обусловленную рассеянием падающей звуковой волны.
3) Использование скользящего комплексного взвешенного усреднения частотной зависимости пары излучатель-приемник в реверберационном поле незаглушенного бассейна обеспечило существенное расширение возможностей калибровок гидрофонов по сравнению с традиционным методом временной селекции прямого сигнала излучателя.
4) Использование предложенного автором понятия чувствительности гидрофона в полосе частот позволило разработать корректные методы градуировки гидрофонов, применяемых для измерения уровней подводного шумоизлучения корабля.
5) Способы оценивания эффективного размера приемника в полосах частот обеспечили возможность градуировки крупногабаритных ГМ в гидроакустическом бассейне относительно малых размеров.
6) Совокупность предложенных технических решений, методов измерений и метрологических исследований обеспечила уменьшение погрешности рабочих эталонов для градуировки гидрофонов в 2 раза, градуировку в измерительном бассейне крупногабаритных ГМ с погрешностью ±1,5 дБ, расширение частотного диапазона градуировки гидрофонов по полю в область низких частот с 3,15 кГц до 250 Гц.
7) Выполненные метрологические исследования эталонных установок, выявление и минимизация источников неопределенностей измерений позволили при участии в первых международных ключевых сличениях калибровок гидрофонов по полю CCAUV.W-K1 2000-2003 гг. обосновать и подтвердить бюджет неопределенностей калибровки с минимальной среди участников сличений стандартной расширенной неопределенностью от 0,19 до 0,3 дБ, гарантировали взаимное признание возможностей в области калибровок гидрофонов по полю.
1.9 Личное участие автора в работах, включенных в диссертацию
Исследования, направленные на повышение точности и совершенствование эталонной базы в области гидроакустических измерений, были начаты автором в середине 80-х годов, когда он принял участие в создании Государственного специального первичного эталона ГЭТ 55-91 и первых автоматизированных установок для градуировки гидрофонов. Впоследствии автор возглавил лабораторию гидроакустических эталонов и методов передачи единиц гидроакустических величин ФГУП «ВНИИФТРИ». В качестве исполнителя, научного руководителя и главного конструктора выполнил ряд научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, в том числе: ОКР «Арагва», НИР «Метрология-13», НИР «Метрология-УМО-2000», НИР «Метрология-ВМФ», ОКР «Брокер-Тополь», НИР «БРИЗ». При выполнении этих работ автором были проведены метрологические исследования методов и установок для градуировки гидрофонов по полю, выявлены доминирующие источники погрешности, исследованы и внедрены рассмотренные в диссертации методы градуировки приемников звукового давления по полю и технические решения, в совокупности составляющие современную методологию построения эталонной установки свободного поля, на основе которой созданы более десяти специальных и рабочих эталонов, проведены исследования их метрологических характеристик и испытания для целей утверждения типа.
Результаты диссертационных исследований опубликованы в монографии и более чем 60 публикациях (как самостоятельных, так и в соавторстве) в научно-технических журналах, трудах международных, всероссийских и отраслевых конференций. Основные публикации (36), в том числе 18 в рекомендованных ВАК изданиях, приведены в разделе 4 автореферата. В совместных публикациях личный вклад автора по теме диссертационной работы является определяющим.
1.10. О соотношении докторской и кандидатской диссертаций
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.16 (Информационно-измерительные системы) на тему «Разработка и исследование методов аттестации измерительных преобразователей ИИС с использованием идентификации в классе инерционных нелинейных систем» была выполнена во ВНИИФТРИ и защищена в 1984 г. в Ленинградском политехническом институте им. В.В. Куйбышева.
Докторская диссертация посвящена новому для автора направлению исследований, тематически не связанному с кандидатской диссертацией. Все цитируемые в докторской диссертации результаты и публикации автора осуществлены после защиты кандидатской диссертации.
Градуировка рабочих СИ, применяемых при измерениях уровней подводного шумоизлучения
Теоретическую и методологическую основу исследований составили научные труды отечественных и зарубежных авторов в области метрологии, гидроакустических измерений, измерений в воздушной акустике, теории радиотехнических систем, радиолокации и голографии, методы обработки измерительных данных, а также проведенные соискателем экспериментальные и теоретические исследования, математическое и физическое моделирование, макетирование основных узлов разрабатываемых эталонных СИ, метрологические исследования разрабатываемых методов и СИ для выявления источников их погрешностей, составление и обоснование бюджета неопределенностей, анализ результатов международных и ключевых сличений.
Экспериментальные и теоретические исследования применялись для выявления доминирующих составляющих погрешности измерительных процедур метода взаимности и градуировки рабочих СИ, а также оценки эффективности разработанных в диссертации методов их уменьшения и исключения.
Следующие процедуры (методики), разработанные в ходе исследований, позволили уменьшить погрешности и расширить частотный диапазон измерений в свободном поле в область низких частот: - применение подвижных прецизионных автоматизированных систем позиционирования преобразователей, - применение когерентного накопления в сочетании с широкополосным приемом, - уменьшение крутизны наклона частотной характеристики излучения на низких частотах, - поочередное излучение и прием сигнала и его квадратурного дополнения, - использование скользящего комплексного взвешенного усреднения частотной зависимости системы излучатель — отражающий бассейн — приемник, полученной при непрерывном излучении полосовых сигналов.
Задачи реконструкции пространственного распределения источников вторичного излучения решались методом замещения рассеивающей неоднородности конечным числом локализованных эквивалентных источников с использованием математической процедуры согласованной пространственной фильтрации. При разработке модифицированной процедуры градуировки гидрофона по полю методом взаимности применены методы акустической голографии и математический аппарат теории оценивания.
Для оценивания времени установления выходного напряжения приемника и нижней частоты градуировки гидрофона по полю в незаглушенном бассейне использован комплексный кепстральный анализ.
При разработке метода градуировки приемников звукового давления в полосах частот применена теория случайных процессов. Теоретические методы включали также анализ погрешностей, обработку и интерпретацию экспериментальных данных, математическое моделирование на ПК численных экспериментов.
5. Научная новизна полученных результатов
К началу настоящей работы состояние эталонной базы в области гидроакустических измерений перестало соответствовать требуемой точности измерения параметров гидроакустического поля корабля, что снижало достоверность оценки одной из основных характеристик, определяющих скрытность действий корабля, защиту от поражения минно-торпедным оружием, а также эффективность его собственных систем гидроакустического обнаружения целей.
Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в том, что 1) Впервые разработан и реализован метод определения параметров рассеяния звуковой волны в точку приема корпусами преобразователей и подводными конструкциями эталонной установки, основанный на использовании экспериментальной зависимости передаточного импеданса излучателя и приемника от частоты или расстояния между излучателем и приемником.
2) Впервые разработан способ оценивания передаточного импеданса излучателя и приемника в свободном поле сферической звуковой волны по результатам измерений передаточного импеданса в присутствии рассеянной волны.
3) Разработана новая методика градуировки гидрофонов по полю методом взаимности (модифицированная процедура метода взаимности), которая позволяет исключать влияние интерференционных искажений звукового поля на погрешность градуировки. Методика аппаратно и программно реализована во вторичном эталоне, что значительно повысило точность градуировки гидрофонов.
4) Разработан и реализован новый метод оценивания частотной характеристики пары излучатель-приемник в свободном поле с использованием скользящего комплексного взвешенного усреднения частотной зависимости пары в поле, искаженном отражениями. На основе метода разработан и реализован способ градуировки гидрофонов по полю при непрерывном излучении полосового сигнала в отражающем бассейне.
5) Впервые предложено определять чувствительность приемника звукового давления в полосе частот, что позволило исключить несоответствие величин в уравнении измерений гидроакустическим спектрометром, более корректно учесть неравномерность частотной характеристики приемника и повысить за счет этого точность СИ уровней подводного шума.
6) На основе предложенного понятия границы пространственной области коррелированных в полосе частот источников рассеяния впервые разработан и реализован метод градуировки крупногабаритных гидроакустических измерительных модулей (ГМ), область ближнего поля которых превышает по протяженности размеры рабочей зоны бассейна. 7) Впервые разработан метод экспериментального определения эффективного размера ГМ в заданных полосах частот, что необходимо для оценивания минимального расстояния между излучателем и модулем при градуировке модуля в бассейне.
8) Предложен новый подход к оцениванию времени установления измерительного сигнала при градуировке гидрофона по полю с использованием тонально-импульсного излучения. На его основе разработаны способы расширения частотного диапазона градуировки в отражающем бассейне в область низких частот за счет уменьшения крутизны наклона частотной характеристики излучения.
9) Разработанные автором методы уменьшения погрешностей, проведенные метрологические исследования, а также созданные на их основе эталонные установки позволили принять участие в первых международных ключевых сличениях калибровок гидрофонов по полю в диапазоне частот от 1 до 500 кГц CCAUV.W К1, обосновать и подтвердить бюджет составляющих неопределенности измерений с наименьшей среди участников сличений стандартной расширенной неопределенностью.
Функция неопределенности приведенного передаточного импеданса излучателя и приемника в поле, возмущенном рассеянной волной
Множитель в круглых скобках описывает искажение ППИ, обусловленное рассеянием. Отношение Psc v) зависит как от силы рассеяния, так и геометри Pir) ческих параметров, определяющих пространственное положение рассеивающей неоднородности относительно излучателя и приемника. Вследствие этого в поле, возмущенном рассеянной волной, ППИ перестает быть константой и теряет свойство инвариантности к расстоянию.
Поскольку обусловленную рассеянием погрешность (согласно [39] неопределенность) измерений обычно оценивают по изменениям ППИ от расстояния между излучателем и приемником [4, 38, 52], зависимость Clsct(r) от расстояния г будем трактовать в качестве функции неопределенности ППИ в поле, возмущенном рассеянием.
Практически важные для уменьшения погрешности измерений результаты удается получать в случаях, когда функция неопределенности ППИ может быть представлена через функции рассеяния эквивалентных источников. Идентификация в классе математических моделей, представляющих собой конечное число распределенных в пространстве локализованных эквивалентных источников, позволяет аналитически выразить функцию неопределенности ППИ через функции, зависящие от параметров, описывающих положение и рассеяние источников. Это дает возможность решать задачу оценивания ППИ в невозмущенном поле.
Как показано автором в [47, 48], в предположении, что волну в точку приема рассеивают эквивалентные источники R,-, / = 1,..., п, функция неопределенности ППИ представляет собой сумму функций рассеяния источников R,: %РН,сф (ГРН ) _ %РН,сф l + I,\(rPH) 1=1 (3) где UR.{rPH) = WR. ехр[/і/рЛ.яО я)] - функция источника R,, уда rPRt + rRtH ленного на расстояния rPR. и rR.H от излучателя и приемника соответственно, WR. - комплексный коэффициент, характеризующий рассеяние источника, УРЯН(ГРН) = ГРЩ + гщя ГРН ГРН — расстояние между излучателем и приемником.
Нетрудно убедиться (разделив обе части формулы (3) на SP), что идентичным соотношением связаны чувствительность приемника Мн(грн), измеренная в поле, возмущенном рассеянием, и чувствительность приемника Мн в невозмущенном поле.
В дальнейших рассуждениях интерес будет представлять зависимость ППИ от измерительного расстояния гРН при фиксированном положении эквивалентных источников относительно приемника. При этом предположим, что с изменением расстояния положение источника и его рассеивающая способность WR. остаются постоянными и все изменения ППИ обусловлены только измене ниєм параметров функций эквивалентных источников QR (гРН), связанных с изменением расстояния между излучателем и приемником. К ограничениям рассмотренной модели рассеяния можно отнести: - конечное число эквивалентных источников - неизменность положения источников относительно приемника - неизменность рассеивающей способности источника при изменении измерительного расстояния.
Принятые упрощения ограничивают область применимости модели и требуют проверки возможности ее использования в конкретных случаях. Переход от представления ППИ при фиксированном положении излучателя относительно приемника к описанию зависимости ППИ, получаемой при перемещениях излучателя по некоторой траектории, возможен лишь с определенными дополнительными допущениями, гарантирующими сохранность модели.
Необходимые и достаточные условия существования и единственности финитного разложения функции рассеяния по функциям источников составляют краеугольные вопросы теории дифракции [76-79]. В общем случае частотный и геометрические параметры функции рассеяния могут иметь сложную взаимную зависимость, тогда как в функциях эквивалентных источников волновой (частотный) и пространственные параметры взаимно независимы. С изменением измерительного расстояния угол падения прямой волны излучателя на рассеивающую неоднородность изменяется. На практике это может приводить как к изменению рассеивающей способности, так и изменению положения источников. В каждом конкретном случае справедливость принятых упрощений требует соответствующего подтверждения. При этом следует учитывать как конструкции гидрофонов и используемых креплений, так и траектории излучателя. Тем не менее, как будет показано далее, при решении задач, связанных с повышением точности градуировки, упрощение модели рассеяния оказывается приемлемым. Для того чтобы обеспечить условия применимости модели на практике, автор стремился создавать конструкции с малым числом источников рассеяния, расположенных на значительных расстояниях друг от друга и гидрофона (даже в ущерб силе рассеяния). Результаты экспериментальных исследований показали, что при траекториях движения излучателя, обеспечивающих малые изменения углов падения волны на измерительный гидрофон и его крепление, зонно-френелевская структура рассеивающей неоднородности сохраняется, а количество и параметры эквивалентных источников рассеяния не меняются существенно.
В предположении, что: - зависимость ПЛИ от расстояния между излучателем и приемником измерена в условиях, соответствующих принятой модели, - функция неопределенности ПЛИ представляет собой сумму функций рассеяния эквивалентных источников, - координаты приемника, текущие координаты излучателя, количество п и координаты эквивалентных источников известны, зависимости функций рассеяния эквивалентных источников от расстояния между излучателем и приемником могут быть рассчитаны, поскольку определяются координатами источников и геометрическими параметрами эксперимента, и выражение (3) представляет собой линейное уравнение и+1 неизвестного.
Уменьшение погрешности измерения отношения напряжений
На изображении и зависимости, полученных с применением взвешивающего окна, главные максимумы более выражены, а экстремумы, которые можно воспринять в качестве ложных источников отражений, сглажены. Это наиболее заметно при сравнении участков изображений на расстоянии 400 мм, а также более 600 мм по вертикали от активного элемента гидрофона. Непрерывными кривыми на рис. 7 представлены функции неопределенности НИИ, рассчитанные с использованием координат и параметров рассеяния эквивалентных источников.
Результаты реконструкции источников рассеяния и аппроксимации функции неопределенности ПЛИ излучателя и гидрофона ТС 4034 на частотах 310, 330 и 370 кГц приведены в [100]. Представленные результаты показывают, что при градуировке гидрофона функцию неопределенности ППИ излучателя и приемника, характеризующую искажения ППИ вследствие рассеяния в точку приема, удается с высокой степенью приближения представить конечным разложением по функциям эквивалентных источников. Такое разложение осуществляется с использованием согласованной фильтрации функции неопределенности ППИ. При этом удается определять положение и параметры не только удаленных источников, относящихся к измерительной установке, но и достаточно близких источников, формируемых собственно гидрофоном.
Представленные результаты математического и физического моделирования, а также экспериментальных исследований, проведенных на государственном эталоне, позволяют сделать выводы о: адекватности предложенной модели эквивалентного источника влиянию рассеяния при градуировке гидрофонов; корректности метода, применяемого для определения координат источников рассеяния; эффективности метода оценивания параметров рассеяния, а также ППИ излучателя и приемника в невозмущенном поле; возможности создания на основе разработанных методов измерительной процедуры для градуировки гидрофона в свободном поле, позволяющей исключать влияние рассеяния.
Идея уменьшения погрешности градуировки гидрофона за счет обработки зависимости ППИ излучателя и приемника от измерительного расстояния не является новой. С этой целью эталоны оснащают автоматизированными позиционирующими системами, которые позволяют перемещать излучатели и приемники в процессе измерений, а зависимость ППИ, получаемую при изменении расстояния,между излучателем и приемником, усредняют. В ряде современных национальных эталонов усреднение зависимости ППИ применяют, в том числе, и для уменьшения влияния интерференционных искажений [4]. Автор также использовал усреднение в измерительных установках свободного поля при создании в конце 80-х годов первого поколения установок государственного эталона ГЭТ 55-91. Например, изменения зависимости ППИ, вызванные перекрестной электрической помехой, описываются знакопеременной функцией, период осцилляции которой равен длине звуковой волны в воде. Влияние перекрестной помехи можно исключить усреднением зависимости ППИ, если изменение расстояния между излучателем и приемником задавать исходя из длины звуковой волны. Изменения ППИ, вызванные интерференционными искажениями поля, также описываются детерминированными функциями. Однако сложность закона изменений не позволяет подобрать измерительные расстояния так, чтобы исключить влияние интерференции за счет усреднения. В случае интерференционных искажений усреднение зависимости ППИ также некорректно, как и определение расстояния между центрами приема и излучения по прямой наилучшего приближения зависимости 2/,я(г) , и не обеспечивает хороших статистических свойств (несмещенности, состоятельности и эффективности) оценок ППИ в невозмущенном поле.
Зависимости ППИ от расстояния между излучателем и приемником обычно используют только для оценки погрешности градуировки типового гидрофона, и в число операций, предусматриваемых стандартной процедурой градуировки по методу взаимности измерение таких зависимостей не входит.
Значительно уменьшить влияние интерференционных искажений при градуировке гидрофона позволяет разработанная автором модифицированная процедура метода взаимности. В отличие от стандартной процедуры [19], модифицированная процедура предполагает планирование геометрических параметров измерительного эксперимента, измерение зависимостей ППИ трех пар излучатель-приемник (излучатель и гидрофон, излучатель и обратимый преобразователь, обратимый преобразователь и гидрофон) и математическую обработку ре зультатов. Математическая обработка зависимости ППИ каждой пары излучатель-приемник включает в себя определение количества и координат эквивалентных источников рассеяния (решение обратной задачи) и оценивание ППИ излучателя и приемника в невозмущенном поле.
Качество решения обратной задачи зависит от диапазона и шага изменения измерительных расстояний, а также расположения источников рассеяния относительно активного элемента приемника. Минимальное и максимальное расстояния между излучателем и приемником, а также шаг перемещения излучателя необходимо определять при планировании параметров измерительного эксперимента. Минимальное измерительное расстояние должно удовлетворять условиям дальнего поля [19]. Если в качестве эффективных размеров излучателя и приемника принять размеры их активных элементов, то при измерениях на частотах до 200 кГц минимальное измерительное расстояние не превысит 35 -40 см. Максимальное измерительное расстояние определяется возможностями позиционирующего устройства эталона. Позиционирующее устройство государственного эталона, предназначенное для измерений в свободном поле в диапазоне частот до 200 кГц, позволяет разносить излучатель и приемник на расстояние до 1,5 м.
Установка Государственного вторичного эталона ВЭТ 55-96
При погрешностях порядка 1 - 2 дБ стабильность эталонных гидрофонов не является фактором, лимитирующим погрешность передачи единицы. Временную нестабильность оценивают по изменению чувствительности гидрофона за период между предьщущей и текущей поверками. Для эталонных гидрофонов 1-го разряда временная нестабильность нормируется значением 0,6 дБ.
С уменьшением погрешности измерений большой допуск на временную нестабильность эталонного гидрофона приводит к утрате эталоном функции хранения единицы (эталон будет обеспечивать лишь функции воспроизведения и передачи единицы). Попытка преодолеть утрату функции хранения единицы автоматическим уменьшением допуска на временную нестабильность гидрофона соответственно повышению точности градуировки может привести к необоснованному занижению допуска, что увеличивает риск браковки гидрофона.
Повышение точности эталона заставляет изменить подход к оцениванию погрешности эталонного гидрофона. При выработке способа оценивания необходимо исходить из соотношения между погрешностью градуировки, временной нестабильностью гидрофона и влияющими факторами. Например, в воздушной акустике временная нестабильность оказывается наиболее значимым фактором и ее принимают в качестве оценки погрешности измерительного микрофона. Аналогичная ситуация вряд ли возможна в ближайшее время в рамках действующей поверочной схемы для гидроакустических измерений. Однако результаты исследования временной стабильности гидрофонов - возимых эталонов ключевых сличений показали, что погрепшость гидрофона (применительно к поверочной схеме - погрешность передачи единицы) скорее всего будет определяться с учетом временной нестабильности эталонного гидрофона и влияющих факторов. Поэтому разработка способов исследования и подтверждения временной нестабильности гидрофона, наряду с исследованием влияющих факторов, становится актуальной. В качестве иллюстрации в [100] приведены результаты многократных градуировок гидрофонов - возимых эталонов ключевых сличений. Там же изложен возможный способ исследования временной стабильности гидрофона по результатам градуировки гидрофона на эталоне в неизменных условиях, который отличается от принятого в методиках поверки гидрофонов - рабочих эталонов 1-го разряда.
Термостатирование и контроль других параметров воды в первичном эталоне позволит исключить влияние измерительной среды, что даст возможность корректно оценивать временную стабильность, как гидрофона, так и самого эталона. Очевидно, что при этом должна быть минимизирована и случайная погрешность измерений.
В соответствии с действующими методическими указаниями перед погружением в воду гидрофон необходимо очистить от загрязнений и обезжирить. Для улучшения смачиваемости поверхность гидрофона рекомендуется промыть мыльным раствором и протереть спиртом. Перед измерениями гидрофон должен быть выдержан в воде в течение установленного времени.
Протирка спиртом оказывает «шоковое» воздействие на гидрофон. Испарение спирта высушивает поверхность покрытия, что сводит на нет эффект от применения мыльного раствора, вызывает резкое охлаждение поверхностного слоя покрытия гидрофона, ускоряет старение покрытия и обуславливает изменение его свойств. Протирка (обезжиривание) гидрофона спиртом перед погружением в воду применяется только в нашей стране.
После погружения на измерительную глубину гидрофон оказывается более теплым в сравнении с водой, что вызывает осаждение на гидрофоне тончайшего слоя воздушных пузырьков, который не растворяется в течение очень длительного времени. Для цилиндрических гидрофонов эта воздушная прослойка существенно искажает чувствительность на прием с направлений, близких к оси гидрофона, может приводить к возникновению ложных провалов на диаграмме направленности и даже к эффекту полного внутреннего отражения. Для того чтобы избежать подобной ситуации, перед погружением гидрофон необходимо охлаждать до температуры, равной либо более низкой, чем температура воды на измерительной глубине.
Недостаточное время замачивания гидрофона также может стать причиной увеличения погрешности градуировки. Старение материала, поверхностные трещины и царапины, набухание покрытия может приводить не только к изменению механических свойств, но и к изменению впитывающих свойств покрытия гидрофона. Следствием этого является значительное увеличение времени, требуемого для установления чувствительности гидрофона. В [100] автором приведены зависимости, характеризующие установление чувствительности гидрофона КИП-10-50 от времени, прошедшего после постановки в измерительный бассейн на рабочую глубину, из которых следует, что на частотах близких к собственному резонансу гидрофона это время как минимум в два раза превышает рекомендуемое. При подготовке гидрофона к прецизионной градуировке необходимо учитывать такую особенность резонансных частот и выдерживать гидрофон в воде от 12 ч до суток (а не 2-6 ч, как устанавливают нормативные документы).
Современные позиционирующие системы позволяют с высокой точностью выравнивать преобразователи по глубине, выставлять преобразователи на одной оси и осуществлять относительные угловые и линейные перемещения излучателя и приемника. Основная проблема при позиционировании эталонного гидрофона связана с ориентированием его опорного направления на излучатель.
Допустимое изменение чувствительности гидрофона - рабочего эталона 1-го разряда от направления в угловом секторе ±15 нормируется значением 0,1 дБ/градус. Традиционно опорное направление гидрофона указывают нанесением риски на его корпус. При ориентировании гидрофона по риске угловые смещения в ± 5 - обычное явление и допускаются нормативными документами. Разность результатов градуировки при такой угловой ошибке может достигать 1 дБ при повторных переустановках гидрофона. Точность углового ориентирования гидрофона по вертикали обычно выше точности ориентирования в горизонтальной плоскости. Однако неравномерность характеристики направленности в вертикальной плоскости на практике оказывается большей, в сравнении с характеристикой направленности в горизонтальной плоскости (например, из-за рассеяния на корпусе либо креплении гидрофона). С сожалением, следует отметить, что нормы на точность углового ориентирования гидрофона по вертикали отсутствуют.
Меры по уменьшению погрешности, связанной с угловым ориентированием гидрофона, будут изложены в разделе, посвященном государственному первичному эталону нового поколения.
