автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.06, диссертация на тему:Разработка методов измерения параметров гидроакустических измерительных систем

На правах рукописи

003067455

СИЛЬВЕСТРОВ Игорь Станиславович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГИДРОАКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Специальность 05.11.06 - "Акустические приборы и системы"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2006

003067455

Диссертация выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии "Всероссийский научно -исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений" (ФГУП "ВНИИФТРИ")

Научный руководитель:

доктор технических наук Некрасов Виталий Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Морозкин Геннадий Дмитриевич кандидат технических наук Исаев Александр Евгеньевич

Ведущая организация:

ОАО Концерн "Океанприбор"

Защита состоится "2007 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 308.005.01 при ФГУП "ВНИИФТРИ".

141570, Московская обл., Солнечногорский р-н., пос. Менделеево, ((495)5359385, (495)5359301)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП "ВНИИФТРИ".

Автореферат разослан " " л^'^сх^'Я 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ю.Д. Иванова

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы диссертации

На сегодняшний день научно - технический прогресс в области проведения измерений и обусловленное им повышение требований к их точности привели к необходимости разработки новых методов определения параметров приборов и систем. Эта задача актуальна для многих областей, и, в частности, для гидроакустики. Среди вопросов, связанных с определением параметров гидроакустических приборов и систем, существует целый ряд задач, решение которых существующими методами чрезвычайно затруднено, а в ряде случаев - практически невозможно. В связи с этим, измерение параметров гидроакустических измерительных систем является одной из актуальных задач гидроакустики.

В данной работе предлагаются методы решения четырех задач, связанных с определением метрологических характеристик гидроакустических приборов и систем.

Первой из рассматриваемых задач является задача определения метрологических характеристик

(чувствительности и диаграммы направленности) приемных измерительных гидроакустических модулей в условиях лабораторных измерительных бассейнов. Для проведения достоверных измерений параметров гидроакустического поля с помощью измерительного модуля, включающего в себя первичный гидроакустический преобразователь (гидрофон) и элементы конструкции, необходима информация не только о характеристиках гидрофона, но и модуля в целом. Однако возможность получения этих характеристик используемыми на сегодняшний день методами ограничивается двумя факторами. Во-первых, выполнение для гармонического сигнала условия дальнего поля для модулей, имеющих существенные линейные размеры (~1м), в лабораторных

измерительных бассейнах па практике во многих случаях нереализуемо. В связи с этим градуировка гидроакустических измерительных модулей часто не проводится, а возможное расхождение между чувствительностями измерительного модуля и первичного преобразователя рассматривается как погрешность измерения чувствительности модуля. Во-вторых, по своему прямому назначению во многих случаях модуль используется при измерениях шумовых сигналов в 1/3 октавной полосе частот, и его характеристики наиболее правильно было бы измерять на сигналах, приближенных к реальным сигналам, а не на дискретных частотах, как это делается в настоящее время.

Следующей рассмотренной задачей, для решения которой недостаточно существующих на сегодняшний день методов, является вопрос снижения нижней частоты градуировки гидроакустических преобразователей в измерительных лабораторных бассейнах и повышения соотношения сигнал/помеха при измерениях. В настоящее время, при осуществлении градуировки гидроакустических преобразователей (гидрофонов) в большинстве случаев используются методы, основанные на применении радиоимпульсных сигналов. Использование

радиоимпульсных сигналов имеет ряд недостатков, основным из которых является наличие переходного процесса и, как следствие, необходимость существования в радиоимпульсе не менее 3-10 периодов несущей частоты. Этот факт существенно ограничивает нижнюю частоту градуировки в гидроакустическом бассейне и снижает соотношение сигнал/помеха при измерениях. Разработка метода снижения нижней частоты градуировки позволила бы расширить диапазон частот, для которых возможно определение характеристик гидроакустических преобразователей в гидроакустических измерительных бассейнах.

Третьей задачей, рассматриваемой в данной работе, является градуировка линейных протяженных гидроакустических антенн. Эта задача особенно актуальна для антенн, имеющих значительную длину (десятки метров и более). Осуществление градуировки таких антенн, как в искусственных бассейнах, так и в естественных условиях, связано с рядом проблем по обеспечению выполнения условий свободного поля и дальней зоны. На сегодняшний день в большинстве случаев градуировка антенн либо не проводится вообще, либо заменяется градуировкой гидрофонов, входящих в состав антенны (цепочки гидрофонов) по отдельности, с последующим вычислением характеристик системы в целом. Однако такой подход не позволяет проводить градуировку непрерывных антенн, и, кроме того, результат восстановления характеристик антенны по характеристикам чувствительности ее элементов не всегда является правильным, т.к. при этом не учитываются другие элементы конструкции антенны. Существующие на сегодняшний день методы основаны на создании падающей на антенну бегущей волны в трубе, в которую помещается антенна, при помощи набора излучателей, используемых одновременно. При использовании такого подхода необходима разработка сложной электронной аппаратуры и методов создания и контроля бегущей волны в измерительной трубе, связанных с существенными временными и финансовыми затратами.

Последней задачей, исследованной в данной работе, является оценка параметров источников отраженных сигналов, связанных с различными элементами конструкции измерительной системы, а также определение степени их влияния на общую характеристику измерительной системы. Современный гидроакустический преобразователь является частью сложной системы, включающей в себя, помимо первичного преобразователя, обтекатель, корпус и ряд других

элементов, которые могут являться источниками отраженного сигнала и оказывать существенное влияние на общие характеристики системы. В случае, если получаемые в результате градуировки метрологические характеристики гидроакустического преобразователя, антенны, модуля или другой измерительной системы являются

неудовлетворительными, возникает задача обнаружения источников отраженного сигнала и определения степени их влияния для оценки возможности внесения изменений в конструкцию измерительной системы.

Цель работы. В соответствии с изложенным выше кругом задач, основными целями настоящей диссертационной работы являются разработка, исследование, моделирование и апробация методов измерения параметров гидроакустических систем, в частности:

® разработка метода градуировки

гидроакустических измерительных модулей в измерительных лабораторных бассейнах;

• разработка метода снижения нижней частоты градуировки гидроакустических измерительных преобразователей в измерительных лабораторных бассейнах;

• разработка метода градуировки линейных протяженных гидроакустических антенн;

® разработка алгоритма обнаружения источников отраженного сигнала, входящих в измерительную систему, и оценки степени их влияния на общие характеристики системы.

Научная новизна работы. В диссертации разработан ряд новых методов измерения характеристик гидроакустических измерительных преобразователей и систем.

В методе градуировки гидроакустических измерительных модулей предлагается использовать псевдошумовой сигнал, энергия которого определяется как сумма энергий его гармонических составляющих. Это позволяет осуществлять селекцию отражений от поверхности и стенок бассейна и снизить погрешность градуировки за счет использования известных методов градуировки на основе радиоимпульсиых сигналов, а само применение псевдошумового сигнала позволяет осуществлять градуировку в лабораторных измерительных бассейнах.

В методе градуировки гидроакустических преобразователей, обеспечивающем снижение нижней частоты градуировки, предлагается заменить применение радиоимпульсных сигналов непрерывными сигналами и использовать различия в спектрах передаточной функции бассейна и частотной характеристики преобразователя.

Метод градуировки линейных протяженных гидроакустических антенн основан па использовании реакции антенны на распределение давления, создаваемое отдельным излучателем, для ' последующего вычисления чувствительности антенны.

В алгоритме обнаружения источников отраженного сигнала предлагается объединить методы голографии и методы решения задачи оптимизации.

Совокупность предлагаемых методов позволяет расширить спектр гидроакустических измерительных систем, для которых возможно осуществление градуировки в условиях лабораторных измерительных бассейнов, в ряде случаев упростить используемое программно - аппаратное обеспечение и получить информацию, на основании которой может быть принято решение о внесении изменений в конструкцию измерительных систем.

На защиту выносятся:

1. Метод градуировки гидроакустических измерительных модулей в измерительных лабораторных бассейнах, основанный па использовании псевдошумового сигнала.

2. Метод градуировки гидроакустических измерительных преобразователей с использованием непрерывных сигналов, основанный на разделении спектров передаточной функции бассейна и частотной характеристики преобразователя.

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.

4. Алгоритм обнаружения источников отраженного сигнала и определения степени их влияния на характеристики измерительной системы на основе комбинирования методов голографии и методов решения задачи оптимизации.

Практическая ценность работы. Разработанный в диссертации метод градуировки гидроакустических измерительных модулей позволяет проводить измерения в лабораторных измерительных бассейнах за счет снижения требований к условию дальнего поля, при этом получая метрологические характеристики модуля (чувствительность, диаграмму направленности в 1/3 октавной полосе частот) для сигналов, близких к сигналам, измеряемым в реальных условиях. Структура используемого псевдошумового сигнала позволяет снизить погрешность градуировки. Разработанные практические подходы позволяют использовать уже

существующее на сегодняшний день программно-аппаратное обеспечение для измерения характеристик измерительных модулей. На сегодняшний день осуществляется внедрение данного метода при создании эталонных установок в рамках ряда ОКР, проводимых во ФГУП "ВНИИФТРИ".

Метод градуировки гидроакустических измерительных преобразователей с использованием непрерывных сигналов позволяет существенно снизить нижнюю частоту градуировки в лабораторных измерительных бассейнах и увеличить соотношение сигнал/помеха при измерениях. Планируется внедрение данного метода при создании эталонных установок в рамках ряда ОКР, проводимых во ФГУП "ВНИИФТРИ".

Метод градуировки линейных протяженных гидроакустических антенн позволяет осуществлять измерение их метрологических характеристик, существенно упрощая используемую электронную аппаратуру, а также исключает необходимость контроля параметров бегущей волны в измерительной трубе. Данный метод может использоваться как самостоятельно, так и совместно с уже существующими методами для повышения достоверности получаемых результатов. Ведется разработка программно -аппаратного обеспечения для внедрения данного метода.

Алгоритм обнаружения источников отраженного сигнала и определения степени их влияния на характеристики измерительной системы позволяет определить местоположение источников отражения, их вклад в результирующую чувствительность и диаграмму направленности, а также возможность внесения изменений в конструкцию измерительной системы. Особую актуальность предлагаемый алгоритм имеет при разработке новых измерительных систем.

Достоверность полученных результатов. При разработке всех предложенных методов была проведена их

проверка с помощью математического моделирования. Для всех методов, кроме метода градуировки линейных протяженных гидроакустических антенн, были проведены экспериментальные исследования, подтвердившие правильность результатов моделирования.

Личный вклад автора. Личный вклад автора заключается в разработке предложенных методов, проведении математического моделирования, постановке экспериментов, обработке и интерпретации результатов экспериментальных исследований.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы были представлены и обсуждались на: 10 Международном конгрессе по звуку и вибрации (2003 г., Стокгольм), 11 Международном конгрессе по звуку и вибрации (2004 г., Санкт-Петербург), научно-технической конференции "Проблемы метрологии гидрофизических измерений ПМГИ-2006" (2006 г., Московская обл, пос. Менделеево), 8 Международной конференции "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики ГА - 2006" (2006 г., Санкт-Петербург).

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 11 публикациях, в том числе в журнале "И змер ител ьпая техн и ка"

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из вступления, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы - 120 страниц.

Краткое содержание диссертации

Во вступлении кратко освещается современное состояние рассматриваемых в диссертации задач и обосновывается их актуальность и практическая значимость.

В первой главе рассматривается разработанный метод градуировки гидроакустических измерительных модулей в лабораторных бассейнах.

На основании анализа существующих методов градуировки и рассмотрения условий, необходимых для их реализации, сделан вывод о невозможности, в связи со сложностью выполнения для гидроакустических измерительных модулей условий дальнего поля, их градуировки в лабораторных измерительных бассейнах с использованием гармонических сигналов.

Метрологические характеристики измерительного модуля могут существенно отличаться от характеристик установленного в нем первичного преобразователя (гидрофона) за счет наличия дополнительных источников отраженного сигнала, связанных с элементами конструкции модуля. Кроме этого, во многих случаях, гидроакустический измерительный модуль 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. В связи с этим был предложен метод определения метрологических характеристик (градуировки) с использованием псевдошумового сигнала [3,7,8,11] следующего вида:

N

Р(0 = Ро^ГсозРл^ + ук), где N - это число частот в наборе, к=1

Гк - это частота, а ук - это соответствующая ей фаза, частоты распределены равномерно по 1/3 октавной полосе частот. Для

гидроакустического модуля расстояние дальней зоны Я - это расстояние, начиная с которого выходное напряжение гидроакустического модуля становится обратно пропорциональным расстоянию до источника прямой волны, падающей на модуль. Использование предложенного сигнала приводит к уменьшению расстояния дальней зоны по сравнению с гармоническим сигналом, что позволяет осуществлять градуировку измерительных модулей в лабораторных измерительных бассейнах. Уменьшение расстояния дальней зоны обусловлено тем, что если дистанция между первичным преобразователем и источниками отраженного сигнала, связанными с элементами корпуса модуля, больше, чем 3-5 длин волн, то сложение прямого сигнала й отраженных сигналов сводится в основном к энергетическому суммированию. Это является следствием близости корреляционной функции прямого и отраженного сигналов, при использовании достаточного количества частот в наборе, к корреляционной функции белого шума в 1/3 октавной полосе частот, которая при указанных условиях, будет близка к нулю. Кроме того, при использовании предложенного сигнала, измерение чувствительности модуля для псевдошумового сигнала может быть заменено измерением коэффициентов преобразования модуля Ак для каждой из частот ^ в выбранном наборе. В данном случае коэффициенты преобразования Ак не являются чувствительностью модуля для частоты 1к. Чувствительность модуля в 1/3 октавной полосе частот в этом случае

I 1 N

вычисляется по формуле М = л— X А, . Данный подход

V N к=1 К

позволяет использовать стандартный метод градуировки гидрофонов с использованием радиоимпульсных сигналов, что позволяет существенно снизить погрешность измерения чувствительности гидроакустического модуля на псевдошумовом сигнале. Для проверки данного метода были

проведены математическое моделирование и оценки расстояния дальней зоны для модулей различного размера.

Было проведено измерение чувствительности и диаграммы направленности гидроакустического

измерительного модуля (ГИМ). Измерения проводились на установке смонтированной в гидроакустическом бассейне ФГУП ВНИИФТРИ. Результаты представлены на рис 1.

100

| ГИМ со _

3 ГИ-52 92

| ГИМ 83 иэ гармонический 1:1 сигнал

Ё0

0 20 40 60 80

Частота, кГц

Рис.1. Частотные характеристики гидрофона ГИ-52 для гармонического сигнала, гидроакустического модуля (ГИМ) для псевдошумового сигнала и гармонического сигнала при одинаковых условиях градуировки

Погрешность градуировки не превышала 1.5 дБ и определялась в основном погрешностью выполнения условий дальней зоны и погрешностью градуировки использованного в установке гидрофона сравнения.

Рассмотрение результатов градуировки и измерения диаграммы направленности измерительного модуля показывает:

-расхождение чувствительностей, полученных отдельно для гидрофона и для измерительного модуля в сборе;

-существенное уменьшение неравномерности диаграммы направленности для частот выше 12 кГц по сравнению с оценками, сделанными для гармонического сигнала.

Полученные результаты подтверждают

необходимость проведения измерений метрологических

— ----л-,

получаемых результатов теоретическим данным, приведенным в литературе.

В четвертой главе разработан алгоритм обнаружения источников отраженного сигнала и определения степени их влияния на характеристики измерительной системы, основанный на комбинировании методов голографии и методов решения задачи оптимизации.

Анализ показал, что на метрологические характеристики измерительной системы могут оказывать существенное влияние источники отраженного сигнала, связанные с её конструкцией. Для обнаружения этих источников и оценки степени их влияния было предложено использовать комбинацию методов голографии и методов решения задачи оптимизации [4,5,6,10].

Например, возведение в квадрат значений коэффициентов преобразования, образующих диаграмму направленности гидрофона или гидроакустического модуля, позволяет получить угловую зависимость, которая может рассматриваться как сечение голограммы па сферической поверхности в предположении осевой симметрии гидрофона или модуля. Опорной волной является волна от первичного преобразователя, а объектной волной - волна от дополнительных источников отраженного сигнала. Известно, что при освещении голограммы объектной или опорной волной восстанавливается другая волна, а также комплексно сопряженная с ней. Таким образом, при освещении голограммы опорной волной от первичного преобразователя, чьё местонахождение нам известно, появляется возможность обнаружения источников объектной волны. Для того, чтобы при восстановлении источников отраженного сигнала не складывалась ситуация, когда источник прямой сферической волны не позволяет их увидеть, голограмма модифицируется. В рассматриваемом случае достаточно приравнять нулю нулевую гармонику преобразования Фурье и получить новую

характеристик как отдельного гидрофона, так и модуля на пссвдошумовых сигналах для получения характеристик, близких к характеристикам модуля в условиях натурных измерений.

Во втором главе рассматривается предложенный метод градуировки гидроакустических измерительных преобразователей с использованием непрерывных сигналов.

В настоящее время для градуировки

гидроакустических преобразователей в большинстве случаев используются методы, основанные па применении радиоимпульсных сигналов, использование которых ограничивает нижнюю частоту градуировки в лабораторных бассейнах и снижает соотношение сигнал/помеха при измерениях.

Для того, чтобы избежать возникновения описанных выше проблем, был разработан метод определения параметров гидроакустических преобразователей с использованием непрерывных сигналов [9]. Суть метода заключается в следующем. Пусть М(0 - это частотная характеристика гидроакустического преобразователя, а Р(Г) -частотная характеристика измерительного бассейна. Анализ логарифмических частотных характеристик

гидроакустических преобразователей М1(1)=20к^(М(0) и логарифмических частотных характеристик измерительных бассейнов Р1(Г)=201оу;(Р(0) показал, что спектры, получаемые при помощи преобразования Фурье для этих характеристик, существенно различаются. Пример спектра 8м(п) для гидроакустического преобразователя и 8г(п) - для математической модели измерительного бассейна, основанной на его представлении в виде набора точечных источников отраженного сигнала, показан на рис. 2.

ч,

101! IV 200 300

Ном*;-' гармоники

Рис.2.

Из рис.2 видно, что в данном случае для значений п < 80 гармоники спектра 8м(п) превосходят гармоники спектра Б^п).

Пусть и(:Е) — среднеквадратическое значение выходного напряжения гидроакустического преобразователя при воздействии на него непрерывного сигнала частотой £ Тогда и(1)=М({)*Р(1). Для того, чтобы восстановить значения функции М(1), используя результат измерения функции 11(1), необходимо провести нормирование и (0 относительно давления, которое создавалось бы в области нахождения гидроакустического преобразователя в отсутствие дополнительных источников отраженного сигнала в бассейне. Затем следует прологарифмировать полученную функцию, вычислить для нее спектр с использованием преобразования Фурье и провести обратное преобразование Фурье, используя только то количество первых гармоник, для которых гармоники спектра 8м(п) превосходят гармоники спектра ЭгО!).

В случае, когда определение давления, которое создавалось бы в области нахождения гидроакустического преобразователя в отсутствие дополнительных источников отраженного сигнала в бассейне, невозможно или затруднено, можно воспользоваться методами градуировки гидрофонов

методами замещения и сравнения. Применение этих методов также позволяет осуществлять градуировку

гидроакустических преобразователей с использованием непрерывных сигналов в случаях, когда спектры частотных характеристик гидроакустического преобразователя и лабораторного бассейна близки. Использование в совокупности с предложенным методом градуировки известных подходов, уменьшающих влияние на восстановленную характеристику эффекта Гиббса, позволяет еще более уменьшить нижнюю частоту градуировки. На рис.3 показаны результаты восстановления логарифмической частотной характеристики гидрофона М1(1) для следующих случаев:

1) можно определить давление в области нахождения гидрофона, которое создается излучателем в отсутствие дополнительных источников отраженного сигнала в бассейне (частотная характеристика М 1(0)^

2) определить давление невозможно, используется метод замещения и метод уменьшения влияния эффекта Гиббса (частотная характеристика Мг(1));.

Рассматривался диапазон частот 100 - 63588 Гц с шагом частоты 15.5 Гц при определении значений 11(1). Частотные характеристики гидроакустического преобразователя и лабораторного бассейна близки.

Д6

М(£)

ад

МзСО

Рнс.З. Исходная логарифмическая характеристика гидроакустического преобразователя ¡\/11(Г) и восстановленные частотные характеристики М|(0, М2(0 для различных модификаций предложенного метода.

Полученные результаты показывают, что использование метода замещения и метода уменьшения влияния эффекта Гиббса позволяют восстанавливать частотную логарифмическую характеристику

гидроакустического преобразователя во всем рассматриваемом частотном диапазоне.

Для проверки было проведено как математическое моделирование с использованием теоретических и реальных характеристик гидроакустических преобразователей, так и ряд экспериментов в лабораторном измерительном бассейне. Результаты, полученные на основании как моделирования, так и экспериментальных данных, подтвердили возможность использования метода для определения метрологических хгр ¡:<г'еристи;: гидроакустических преобразователей для частот менее 3 000 Гц с погрешностью до 1 дБ.

В третьей главе разработан метод градуировки лпнекных протяженных гидроакустических антенн, приведены результаты математического моделирования, подтверждающие возможность использования предлагаемого метода.

На основании обзора существующих на сегодняшний день методов градуировки линейных протяженных гидроакустических антенн был сделан вывод о том, что используемые на сегодняшний день методы градуировки в большинстве случаев не позволяют определить метрологические характеристики (чувствительность и диаграмму направленности) таких антенн, либо требуют создания сложных программно - аппаратных систем.

Был разработан метод градуировки, основанный на следующем подходе [1,2]. Антенна помещается в трубу, радиус которой где X - это длина волны, для которой

осуществляется градуировка. Вдоль трубы напротив друг друга расположены гидроакустические излучатели и приемники. Расстояние между ними гораздо меньше, чем X. При использовании разработанных ранее методов, для определения чувствительности антенны необходимо было бы

создать внутри трубы бегущую волну е , где \у -

частота, I - время, антенна располагается вдоль оси х, кх -проекция волнового вектора (1сх = 2т!С05(у)/^, у - угол между направлением распространения волны и осью х). Чувствительность антенны в этом случае вычислялась бы по I

формуле М = ^т(х)ехр(— ]кхх)) может быть представлена как суперпозиция двух стоячих

-м'М

Однако, волна е

—Ж.х

волн е = (соБкхх — ]'зшкхх). Таким образом,

воздействуя на антенну двумя стоячими волнами созкхх и зткхх, а затем проводя соответствующее суммирование полученных результатов, мы получим такой же результат, какой получили бы, воздействуя на антенну бегущей волной.

В то же время, каждая из стоячих волн coskxx и sinkxx может быть представлена как суперпозиция стоячих волн, создаваемых отдельными излучателями, расположенными внутри трубы.

Таким образом, при использовании разработанного метода для определения чувствительности антенны для соответствующего угла падения волны необходимо выполнить следующие действия:

1. Измерить распределения давления, создаваемые вдоль трубы каждым из излучателей по отдельности.

2. Получить для каждого из излучателей коэффициенты Л к и Вк, при использовании которых каждая из стоячих волн cosk4x и sinkxx может быть аппроксимирована стоячими волнами, создаваемыми отдельными излучателями.

3. Измерить напряжения Uk на выходе антенны при воздействии на нее давления, создаваемого к-ым

-JPw

излучателем. Uk =bke

4. Вычислить чувствительность антенны для данного угла в соответствии со следующей формулой:

I Ñ Ñ

м = , (Zbk(Ak cospk -Bk sinpj)2 + (Xbk(Bk cosPk + Ak sinpk))2 •

v k=i k-i

N — количество излучателей, расположенных в трубе. Для построения диаграммы направленности необходимо повторить этапы 2 и 4 для каждого угла падения волны. Было проведено математическое моделирование данного метода градуировки. Длина трубы составляла 50 м, радиус трубы значительно меньше ее длины и равен 0.78 м, 64 точечных излучателя и гидрофона располагались диаметрально по длине трубы на расстоянии 0.78 м, первый излучатель находится на расстоянии 0.1 м от торца трубы. Результаты моделирования для различных вариантов как дискретных, так и непрерывных антенн, подтвердили соответствие

угловую зависимость. Каждая из точек, для которой была построена голограмма, рассматривается как источник сферической волны, с амплитудой, определяемой после подсветки полученной ранее угловой зависимости опорной волной. Функция, описывающая суммарное давление, создаваемое этими источниками, имеет максимумы в точках нахождения источников отраженного сигнала.

С учетом обратимости характеристик пьезоэлектрического гидроакустического преобразователя в режиме приема и излучения, для определения степени влияния источников отраженного сигнала исходной диаграмме направленности ставится в соответствие математическая модель, заменяющая измерительную систему набором точечных излучателей. В качестве координат излучателей используются полученные координаты источников отраженного сигнала. Затем, с использованием методов решения задачи оптимизации, проводится минимизация функционала, описывающего расхождение между исходной диаграммой направленности и функцией, описывающей давление, создаваемое этими излучателями. Диаграмма направленности соответствующим образом модифицируется для обеспечения возможности ее введения в данный функционал. Полученные данные позволяют оценить не только местонахождение источников отраженного сигнала, но и степень их влияния.

Для проверки предложенного метода было проведено как исследование теоретических моделей измерительных систем, так и обработка диаграмм направленности для ряда гидрофонов. Результаты показали соответствие между получаемыми источниками отраженного сигнала и физическими конструктивными элементами.

В заключении кратко сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Основные результаты диссертации

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 в рамках ряда ОКР, проводимых во ФГУП "ВНИИФТРИ", эталонных установок.

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, а также 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 использовании реакции 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 1.56 м 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.

Список публикаций по теме диссертации

1. Сильвестров И.С. Градуировка линейных гидроакустических антенн. Проблемы и методы гидроакустических измерений. Сборник трудов. ФГУП "ВНИИФТРИ" - М. 2003. - С. 140 -146.

2. Silvestrov I. Graduation of linear hydroacoustic antennas. Proceedings of the Tenth International Congress on Sound and Vibration. IIAV. 2003. - p. 3207-3214.

3. Silvestrov I. Far field evaluation for the measurement of sensitivity and directional pattern of underwater transducers for noise signals. Proceedings of the Eleventh International Congress on Sound and Vibration. IIAV. 2004. - p. 3557 - 3565.

4. Silvestrov I. Estimation of the influence of the measuring system elements on its sensitivity and directional diagram.Proceedings of the Eleventh International Congress on Sound and Vibration. IIAV. 2004.-p. 3565 -3571.

5. Некрасов B.H., Сильвестров И.С.Восстановление коэффициента преобразования и диаграммы направленности ' приемных и излучающих систем по измерениям в ближнем поле. Проблемы и методы гидроакустических измерений. Труды. Выпуск 47(139). ФГУП "ВНИИФТРИ" - М. 2004. -С. 145- 152.

6. Сильвестров И.С. Градуировка гидроакустических преобразователей в условиях натурных полигонов. Исследования в области физико-технических и радиотехнических измерений. Труды. Выпуск 51(143). ФГУП "ВНИИФТРИ" - М. 2005. - С. 97 -101.

Сильвестров И.С. Использование шумоподобных сигналов для определения чувствительности и построения диаграммы направленности

гидроакустических преобразователей.

Исследования в области физико-технических и радиотехнических измерений. Труды. Выпуск 51(143). ФГУП "ВНИИФТРИ" - М. 2005. - С. 102 -108.

Некрасов В.Н., Сильвестров И.С.. Осуществление градуировки гидроакустических преобразователей в искусственных бассейнах с использованием псевдошумовых сигналов. Научно-техническая конференция "Проблемы метрологии и гидрофизических измерений ПМГИ-2006". Материалы конференции. ФГУП "ВНИИФТРИ" -М. 2006.-С. 145- 150.

Сильзестров И.С., Сильвестров C.B. Градуировка гидрофонов на непрерывном сигнале в условиях лабораторного гидроакустического бассейна. Научно-техническая конференция "Проблемы метрологии и гидрофизических измерений ПМГИ-2006". Материалы конференции. ФГУП "ВНИИФТРИ" - М. 2006. - С. 152 - 156. Сильзестров И.С.. Обнаружение источников отраженного сигнала с использованием методов голографии и методов решения задачи оптимизации. 8 Международная конференция "Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики". "Наука" - С-Пб. 2006 - С. 391 - 395. Сильвестров И.С.. Измерение чувствительности и диаграммы направленности гидроакустических измерительных модулей в искусственных бассейнах. Измерительная техника - 2006. - № 10 -С. 50.

Подписано в печать 18.12.2006 г. Объем 1,6 уч. изд. листов Тираж 100 экз. Полиграфучасток ФГУП ВНИИФТРИ Зак. №391

1.1. Введение Стр.

1.1.1. Классификация методов градуировки Стр.

1.1.2. Вторичные методы градуировки. Стр.

1.1.3. Факторы, ограничивающие возможность осуществления градуировки гидроакустических измерительных модулей.

1.2. Модель псевдошумового сигнала Стр.

1.3. Математическая модель измерительной системы Стр.

1.4. Оценка расстояния дальней зоны для псевдошумового сигнала Стр.

1.5. Измерение чувствительности гидроакустического измерительного модуля.

1.5.1. Схема проведения измерений Стр.

1.5.2. Результаты измерения чувствительности гидроакустического измерительного модуля

1.6. Выводы Стр.

Глава 2. ' Стр.

2.1. Введение Стр.

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 Стр. 46 измерительного бассейна.

2.6. Выводы. Стр.

Глава 3. Стр.

3.1. Введение Стр.

3.1.1. Непрерывные линейные антенны. Стр.

3.1.2. Дискретные линейные антенны Стр.

3.1.3. Существующие методы градуировки линейных антенн Стр.

3.2. Метод градуировки линейных гидроакустических антенн Стр.

Стр.30 Стр.31 Стр.

3.3. Математическое моделирование Стр. 61 3.3.1. Построение диаграмм направленности антенн Стр.

3.4. Выводы Стр.

Глава 4. Стр.

4.1. Введение Стр.

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 Стр. 95 Приложение 1 Стр.

Стр. 72 Стр.

Вступление

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-диапазонов - 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 на 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 первую 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 сегодняшний 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 И., 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 Б соотношение И. > —, где Б - 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 чувствительностями 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 преобразователей (гидрофонов) в лабораторных измерительных бассейнах. На сегодняшний день градуировка гидрофонов в гидроакустических бассейнах обычно проводится с использованием радиоимпульсного сигнала, т.к. использование звукопоглощающих покрытий 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 3-10 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 6x6x6 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

Глава

Для проведения достоверных измерений параметров гидроакустического (г/а) поля с помощью измерительного модуля, содержащего первичный гидроакустический преобразователь (гидрофон), необходима информация не только о характеристиках гидрофона, но и модуля в целом. Однако получение такой информации используемыми на сегодняшний день методами во многих случаях практически невозможно.

1.1.1. Классификация методов градуировки

Существует достаточно большое количество методов градуировки гидроакустических преобразователей. Рассмотрим некоторые из них.

Методы градуировки преобразователей, для которых не требуется образцовый преобразователь с известной чувствительностью, называются первичными [1,4]. В первичном методе могут измеряться следующие основные величины: напряжение, сила тока, электрический и акустический импедансы, длина, масса (или плотность) среды и время (или частота). На практике обычно не измеряют непосредственно значения плотности, скорости звука, модулей упругости, а берут эти величины из справочника. Примером первичного метода градуировки является движение одиночного гидрофона, погруженного в воду, вдоль вертикальной оси. При этом определяется изменение напряжения на выходе гидрофона относительно изменения давления, действующего на гидрофон, и определяется его коэффициент преобразования.

К вторичным методам [1,4] относятся те методы, в которых в качестве образцового используется преобразователь (обычно гидрофон), отградуированный первичным методом. Примером вторичного метода является градуировка гидрофона путем сравнения с образцовым. Поскольку при первичной градуировке допускается применение калиброванных вольтметров, генераторов и т. д., но не допускается применение отградуированного гидрофона, то разделение методов на первичные и вторичные довольно условно; тем не менее, в гидроакустике такое деление существует.

Методы взаимности основываются на том, что один из преобразователей является взаимным и для него отношение чувствительности в режиме приема М к чувствительности в режиме излучения Б равно постоянной величине ], называемой параметром взаимности. Параметр взаимности зависит от свойств акустической среды, частоты и граничных условий [2].

4.5. Выводы

Предлагаемый алгоритм обнаружения как координат источников отраженных волн, так и степени их влияния на характеристики системы, позволяет во многих случаях решить задачу внесения изменений в структуру сложной измерительной системы. Этот подход может быть применен не только к гидрофонам или измерительным модулям, но и к более крупным объектам измерений в случае, если они включают один или несколько дополнительных когерентных источников сигнала.

Заключение

В последние годы внедрение последних достижений научно - технического прогресса в область гидроакустических измерений и повышение требований к точности проводимых измерений привело к появлению необходимости в увеличении точности определения характеристик средств гидроакустических измерений. Однако во многих случаях применение существующих на сегодняшний день методов и подходов не позволяет обеспечить необходимый уровень точности в связи с ограничениями, лежащими в основе используемых методов. Именно этим фактом обусловлена необходимость в разработке новых подходов к измерению параметров гидроакустических систем, которые позволяли бы находить решение для тех задач, разрешение которых современными методами существенно затруднено или практически невозможно. В представленной диссертационной работе рассматриваются несколько таких задач.

Первой из рассмотренных задач является измерение частотной характеристики измерительных гидроакустических модулей, включающих в себя первичный преобразователь и ряд элементов конструкции, имеющих значительные линейные размеры, в условиях лабораторных гидроакустических бассейнов. Возможность осуществления градуировки гидроакустических измерительных модулей в условиях лабораторных бассейнов ограничивается необходимостью выполнения условий дальнего поля. Критерий дальнего поля устанавливает расстояние, начиная с которого выходное напряжение модуля становится обратно пропорционально расстоянию между модулем и излучателем, являющимся источником падающей на модуль волны. Например, расстояние дальнего поля для модуля, имеющего максимальный линейный размер 1м, в первом приближении будет составлять от 6.7м до 67м для частот от ЮкГц до 100 кГц. Создание бассейнов, в которых была бы возможна градуировка таких модулей на практике в большинстве случаев невозможно. Кроме того, часто гидроакустический измерительный модуль используется при измерениях шумовых сигналов в 1/3 октавной полосе частот, и характеристики наиболее правильно было бы измерять на сигналах, приближенных к реальным сигналам. Предложенный метод градуировки заключается в использовании псевдошумового сигнала, представляющего собой сумму гармонических сигналов, распределенных равномерно в 1/3-октавном диапазоне, имеющих случайные фазы N

Р(1) = РоХсоз(2яГк1 + ук). Использование этого псевдошумового сигнала при к=1 проведении градуировки имеет следующие достоинства. Во-первых, это приводит к существенному уменьшению расстояния дальнего поля, и, как следствие, возможности осуществления градуировки в лабораторных бассейнах относительно небольшого размера. Уменьшение расстояния дальнего поля обусловлено тем, что если дистанция между первичным преобразователем и источниками отраженного сигнала, связанными с элементами корпуса модуля, больше, чем 3-5 длин волн, то сложение прямого сигнала и отраженных сигналов сводится в основном к энергетическому суммированию. Это является следствием близости корреляционной функции прямого и отраженного сигналов, при использовании достаточного количества частот в наборе, к корреляционной функции белого шума в 1/3 октавной полосе частот, которая при указанных условиях будет близка к нулю. Во-вторых, предлагаемая модель псевдошумового сигнала позволяет заменить вычисление чувствительности гидроакустического модуля с использованием суммарного псевдошумового сигнала вычислением коэффициентов преобразования модуля Ак для каждой из частот по отдельности даже в случае, если для этих частот модуль находится в ближней зоне относительно излучателя. Коэффициенты Ак в этом случае не будут являться чувствительностью модуля для частоты Гк. Чувствительность модуля в этом

11 N случае вычисляется по формуле М =, — X Аг. . Данный подход позволяет использовать стандартный метод градуировки гидрофонов с использованием радиоимпульсных сигналов, что позволяет существенно снизить погрешность измерения чувствительности гидроакустического модуля на псевдошумовом сигнале. В-третьих, применение псевдошумового сигнала позволяет получить характеристики измерительных модулей для сигналов, близких к сигналам, для измерения которых используются гидроакустические модули. Как показали результаты измерений, эти характеристики могут существенно отличаться от результатов, полученных при градуировке с использованием гармонических сигналов. В рамках ОКР, проводимой во ФГУП "ВНИИФТРИ" было проведено измерение чувствительности и диаграммы направленности гидроакустического измерительного модуля. Измерения проводились на установке, смонтированной в лабораторном гидроакустическом бассейне. Результаты представлены на рис 1.

100 ГИМ 96 m j[ ГИ-52 92 ГИМ 88 lq гармонический ^ сигнал 84

80

0 20 40 60 80

Частота,кГц

Рис.1. Частотные характеристика гидрофона ГИ-52, а также гидроакустического измерительного модуля (ГИМ) для псевдошумового и гармонического сигнала при одинаковых условиях градуировки.

Погрешность градуировки не превышала 1.5 дБ и определялась в основном погрешностью выполнения условий дальней зоны и погрешностью градуировки использованного в установке гидрофона сравнения.

Рассмотрение результатов градуировки и измерения диаграммы направленности измерительного модуля показывает:

-расхождение чувствительностей, полученных отдельно для гидрофона и для измерительного модуля в сборе;

-существенное уменьшение неравномерности диаграммы направленности для частот выше 12 кГц по сравнению с оценками, сделанными для гармонического сигнала.

Полученные результаты подтверждают необходимость проведения измерений метрологических характеристик как отдельного гидрофона, так и модуля на псевдошумовых сигналах для получения характеристик, близких к характеристикам модуля в условиях натурных измерений.

Второй из рассмотренных задач является уменьшение нижней частоты градуировки гидроакустических измерительных преобразователей в лабораторных измерительных бассейнах. В настоящее время, при осуществлении градуировки гидроакустических преобразователей в большинстве случаев используются методы, основанные на применении радиоимпульсных сигналов, применение которых существенно ограничивает нижнюю частоту осуществления градуировки в лабораторных бассейнах и уменьшает соотношение сигнал/помеха при измерениях.

Для того чтобы избежать возникновения описанных выше проблем, был разработан метод измерения метрологических характеристик (градуировки) гидроакустических преобразователей с использованием непрерывных сигналов. Пусть M(f) - это частотная характеристика гидроакустического преобразователя, a P(f) - частотная характеристика измерительного бассейна, моделируемая на основании представления бассейна в виде набора точечных источников отраженного сигнала. В этом случае, зависимость P(f) t , - У *•* Ч ; может быть задана следующим образом: P(f) = Pq(F) 1

L е + X m = l jk(f)Rg m, m m где luí

Jk(f)ro k(f) - волновой вектор, k(f) =-, с - скорость звука в воде; Pn(f) =- с и г0 давление, которое создавалось бы в области нахождения гидрофона в отсутствие дополнительных источников отраженного сигнала (в свободном поле), г0 - расстояния между точкой, для которой определяется частотная характеристика и источником прямой волны; Rgm = rm —r0, rm - расстояния, которое проходит отраженная волна до попадания в точку, для которой определяется частотная характеристика; ат - коэффициент отражения; L - количество источников отраженного сигнала.

Анализ логарифмических частотных характеристик гидроакустических преобразователей Ml(f)=201og(M(f)) и логарифмических частотных характеристик измерительных бассейнов Pl(f)=201og(P(f)) показал, что спектры, получаемые при помощи преобразования Фурье для этих характеристик, существенно различаются. Пример спектра SM(n) для гидроакустического преобразователя и Sr(n) - для математической модели измерительного бассейна показан на рис. 2. ico

ДБ

201og(SM(n)) 201og(Sr(n)) я

-я

V ПО -V, ; j;

1 ' .5 .; у.? f ,rt Yt Р ' i ■ i " ' ' !> i У Ч N \ % г ' - Уыь i * . ^ У ' v-'Ov 1 • »1 Í> 1

30

100

130

200

250

300

Номер гармоники

Рис.2. СпектрБ^} (п) логарифмической частотной характеристики гидрофона М1Г(£) и спектр Зр (п) логарифмической частотной характеристики бассейна в месте нахождения гидрофона. Из рис.2 видно, что для значений п < по гармоники спектра Бм(п) превосходят гармоники спектра 8г(п).

Пусть Щф - среднеквадратическое значение выходного напряжения гидроакустического преобразователя при воздействии на него непрерывного сигнала частоты £ Тогда и(0=М(0*Р(0- Для того, чтобы определить значения М(0, используя результат измерения 11(0, необходимо провести нормирование 11(0 относительно давления, которое создавалось бы в области нахождения гидроакустического преобразователя в отсутствие дополнительных источников отраженного сигнала в бассейне. Затем следует прологарифмировать полученную функцию, вычислить для нее спектр с использованием преобразования Фурье, и провести обратное преобразование Фурье, используя только по первых гармоник, для которых гармоники спектра Бм(п) превосходят гармоники спектра 8г(п). Результат использования такого подхода показан на рис.3. Рассматривался диапазон частот 1 - 63488 Гц с шагом частоты 15.5 Гц при определении значений и(0.

Частота 1

Рис.3. Исходная характеристика М1р (Г) и восстановленная по первым По гармоникам характеристика Му(0 .

В случае, когда определение давления, которое создавалось бы в области нахождения гидроакустического преобразователя в отсутствие дополнительных источников отраженного сигнала в бассейне, невозможно или затруднено, можно воспользоваться методами градуировки гидрофонов методами замещения и сравнения. Применение этих методов также позволяет осуществлять градуировку гидроакустических преобразователей с использованием непрерывных сигналов в случаях, когда спектры частотных характеристик гидроакустического преобразователя и лабораторного бассейна близки. Использование в совокупности с предложенным методом градуировки известных подходов, уменьшающих влияние на восстановленную характеристику эффекта Гиббса, позволяет еще более уменьшить нижнюю частоту градуировки. На рис.4 показаны результаты восстановления логарифмической частотной характеристики гидрофона для следующих случаев:

1) можно определить давление в области нахождения гидрофона, которое создается излучателем в отсутствие дополнительных источников отраженного сигнала в бассейне (частотная характеристика М]({));

2) определить давление невозможно, используется метод замещения и метод уменьшения влияния эффекта Гиббса (частотная характеристика Мг(£));.

Рассматривался диапазон частот 100 - 63588 Гц с шагом частоты 15.5 Гц при определении значений 11(0- Частотные характеристики гидроакустического преобразователя и лабораторного бассейна близки.

Дб 45

40

МЩ) вд

М2(0 35 30

100Гц 1кГц МкГц ЮОкГц Частота £

Рис.4. Исходная логарифмическая характеристика гидроакустического преобразователя М1(0 и восстановленные частотные характеристики М|(0, М2(0 для различных модификаций предложенного метода.

Полученные результаты показывают, что использование метода замещения и метода уменьшения влияния эффекта Гиббса позволяют восстанавливать частотную логарифмическую характеристику гидроакустического преобразователя во всем рассматриваемом частотном диапазоне.

Для проверки было проведено как математическое моделирование с использованием теоретических и реальных характеристик гидроакустических преобразователей, так и ряд экспериментов в лабораторном бассейне, подтвердивших правильность рассматриваемого метода. Таким образом, предлагаемый метод градуировки гидроакустических измерительных преобразователей с • использованием непрерывных сигналов позволяет увеличить соотношение сигнал/помеха при измерениях и существенно уменьшить нижнюю частоту градуировки в гидроакустическом бассейне.

Следующей рассмотренной задачей является измерение чувствительности и диаграммы направленности протяженных гидроакустических антенн и цепочек гидрофонов. Градуировка таких антенн в условиях натурных полигонов связана с существенными трудностями. Разрабатываемые и используемые на сегодняшний день методы градуировки линеиных протяженных гидроакустических антенн в измерительных трубах основаны на создании в измерительных трубах падающей на антенну бегущей волны и использовании ее при градуировке, но связаны с существенными сложностями как при создании бегущей волны, так и при контроле её параметров. Предложенный метод градуировки линейных протяженных гидроакустических антенн также предполагает их размещение в трубе, радиус которой 11«А., где А. - это длина волны, для которой осуществляется градуировка. Вдоль трубы напротив друг друга расположены гидроакустические излучатели и приемники. Расстояние между ними гораздо меньше, чем X. Для того, чтобы избежать возникновения проблем, связанных с созданием падающей на антенну бегущей волны е , предлагается использовать следующий подход. При создании в трубе падающей волны, чувствительность антенны вычисляется по формуле I

М = х)ехрНкхх)

-.¡м Однако, волна е может быть представлена как суперпозиция двух стоячих волн е = (созкхх—]Бткхх). Таким образом, воздействуя на антенну двумя стоячими волнами соэк^х и эшк^х, а затем проводя соответствующее суммирование, мы получим такой же результат, какой получили бы, воздействуя на антенну бегущей волной. В тоже время, каждая из стоячих волн соэк^х и зткхх может быть представлена как суперпозиция стоячих волн, создаваемых отдельными излучателями, расположенными внутри трубы. Таким образом, при использовании разработанного метода, для определения чувствительности антенны для соответствующего угла падения волны необходимо выполнить следующие действия:

1. Измерить распределения давления, создаваемые вдоль трубы каждым из излучателей по отдельности.

2. Получить для каждого из излучателей коэффициенты Ак и Вк, при использовании которых каждая из стоячих волн соэкхх и Бтк^х могут быть аппроксимированы стоячими волнами, создаваемыми отдельными излучателями.

3. Измерить напряжения ик на выходе антенны при воздействии на нее давления, создаваемого к-ым излучателем. ик = Ьке

4. Вычислить чувствительность антенны для данного угла в соответствии со следующей формулой: n n

М = Дьк(Ак С05рк -вк 5трк))2 +(Хьк(Вк со5рк +Ак зтРк))г к-1

N - количество излучателей, расположенных в трубе.

Для построения диаграммы направленности необходимо повторить этапы 2 и 4 для каждого утла падения волны. Было проведено математическое моделирование данного метода градуировки. Длина трубы составляла 50 м, радиус трубы значительно меньше ее длины и равен 0.78 м, 64 точечных излучателя и гидрофона располагались диаметрально по длине трубы на расстоянии 0.78 м, первый излучатель находится на расстоянии 0.1 м от торца трубы. Пример диаграммы направленности антенны, включавшей в себя четыре элемента, находящихся на расстоянии равном длине волны Х=12.625м друг от друга и имевших коэффициенты преобразования элементов равные! (В/Па) приведен на рис. 5.

Рис.5. Диаграмма направленности М(у), полученная в результате моделирования, и диаграмма направленности Т(у), полученная в соответствии с теоретическими формулами.

Результаты моделирования для различных вариантов как дискретных, так и непрерывных антенн, подтвердили соответствие получаемых результатов теоретическим данным, приведенным в литературе. Предлагаемый метод градуировки линейных гидроакустических антенн позволяет обеспечить градуировку как существующих, так и разрабатываемых непрерывных и дискретных антенн с погрешностью, определяемой в основном погрешностью измерения распределения давления, создаваемого отдельным излучателем, позволяя при этом избежать трудностей, существующих при градуировке линейных антенн на сегодняшний день.

Последней задачей, рассмотренной в данной работе, является оценка влияния конструкций гидроакустических модулей и элементов крепления на чувствительность измерительных гидрофонов. Конструкция даже простого измерительного гидрофона, не

Отн.

90

270 У входящего в состав более сложного измерительного модуля, также включается в себя различные конструктивные элементы, помимо самого чувствительного элемента. В случае, если чувствительность гидрофона отличается от ожидавшейся при разработке, возникает задача оценки влияния на неё элементов конструкции. Предложенное решение этой задачи состоит в комбинировании голографии и методов решения задачи оптимизации. В начале используются методы голографии. Например, происходит переход от диаграммы направленности 1бЬ(у) (у - угол падения волны на гидрофон) к угловой зависимости Ы^у)2, которая рассматривается как сечение голограммы на сферической поверхности. Опорной волной является волна от первичного преобразователя, а объектной волной - волна от дополнительных источников отраженного сигнала. Известно, что при освещении голограммы объектной или опорной волной восстанавливается другая волна, а также комплексно сопряженная с ней. Таким образом, подсветив голограмму Ы1(у)2 опорной волной, мы получаем возможность обнаружить источники отраженного сигнала. Для того, чтобы при восстановлении источников отраженного сигнала, не складывалась ситуация, когда источник прямой волны не позволяет их увидеть, голограмма 1зЬ(у)2 модифицируется. Например, если она была измерена на окружности, достаточно приравнять нулю нулевую гармонику преобразования Фурье для 1зЬ(у)2 и получить новую зависимость С1(у)2. Подсветив её опорной волной, получаем угловую зависимость в(у) = в^у)2 ехр(П;Сг0). Рассмотрим каждую из точек на окружности, для которой определена функция в(у), как источник точках нахождения источников отраженной волны значащие локальные максимумы.

- это расстояние между ]-м источником и точкой с координатами (ха,уа). Используем полученные данные о координатах источников отраженного сигнала для минимизации функционала У((}к,Рк) с применением методов решения задачи оптимизации. ехр(-Ш1;а) волны с амплитудой С(у)зт(у). Функция имеет в

У(дк,Рк) = 1(1зЬ(у^-Р(у^)2,где

Р(У;)=1-^ехр(-1(К11]1к+Рк)) к=1*Чк

3к и Бк это соответственно коэффициент преобразования и фаза к-го источника.

- это расстояние от точки, где находится соответствующий к-й источник, до точки в которой производятся измерения для соответствующего угла падения волны. № - количество источников.

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 50040670- 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 1.56 м 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

1. Р. Боббер. Гидроакустические измерения. Мир. М. - 1974.

2. Л.Ф. Лепендин. Акустика. Высшая школа. М. - 1978

3. B.C. 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.

7. 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.

11. Г. М. Свердлин. Прикладная гидроакустика. Судостроение. Л. - 1990.

12. М. Д. Омарышев. Направленность гидроакустических антенн. 1991

13. М.А. Земельман. Метрологические основы технических измерений. Издательство стандартов. М. - 1991.

14. Дмитриевский H.H., Павлов Л.Е., Сильвестров C.B. 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. Гидростенд для градуировки протяженных гидроакустических антенн: Сб. тез. докл. 3 конференции стран СНГ по морской сейсмологии и сейсмометрии. М. - 1993. - С. 76-77

16. 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

17. 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

18. Некрасов В.Н., Савостин Ю.М. Установка для калибровки линейных гидроакустических антенн. Патент РФ на изобретение № 2258326 от 10.08.2005

19. Zalesak J., Rogers P. Directional Line-Hydophone Array Calibratop. US Patent №4468760, Int. CI. H04R29/00, US CI. 367-13,73/1 DV, Aug. 28,1984.

20. Luker L.D., Zalesak J.F., Free-field calibration of long underwater acoustic arrays in a closed chamber, JASA, 90(5), November 1991, pp 2652-2657.

21. Luker L.D., Zalesak J.F., Brown C.K., Scott R.E. Automated digital benchtop calibration system for hydrophone arrays. JASA-April 1983 Vol. 73, Issue 4, PP1212-1216.

22. Эль-Сам X.M.A. Акустическая голография. Глава 1. Судостроение, JI. - 1975.

23. Ю.И.Островский. Элементарная голография. "Материалы второй Всесоюзной школы по голографии", ФТИ, Д., - 1971

24. С.М.Рытов. Физические основы голографии. "Материалы первой Всесоюзной школы по голографии", ФТИ, JL, -1971

25. 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.

26. 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". JI. - 1973.

27. Рубичев Н.А. Формирование квазислучайного сигнала с заданным коэффициентом ассиметрии и минимальной полосой частот. Метрология, №3. 1973.

28. Зверев В.А. Принцип акустического обращения волн и голография. Акуст. журн. -2004. Т. 50. - №6. С. 792 - 801.

29. Зверев В.А. Получение изображения акустической антенной через слой неоднородностей. 2004. Т. 50. - №1. С. 62 - 67

30. Зверев В.А. Обращение волнового фронта для снижения влияния многолучевости на результат активной локации. Акуст. журн. 2003. - Т. 49. - №6. С. 814 - 819.

31. Beason, Deebel. Environmentally controlled free-field towed array calibration system. -ASA 123,- 1992.

32. Beason. Comparison of directivity patterns measured in the long line hydrophone calibrator to predicted date. ASA 133, - 1997.

33. Forsythe. Extension of the long-line hydrophone calibrator to higher frequency. ASA 146, -2003.

34. Зверев B.A., Стромков A.A. Выделение сигналов из помех численными методами. -Нижний Новгород: ИПФ РАН. -2001.