Способ определения чувствительности гидроакустической антенной решетки в лабораторных условиях

 

Способ определения чувствительности гидроакустической антенной решетки в лабораторных условиях относится к гидроакустике и может быть использован для калибровки измерительных антенных решеток. Испытуемую антенную решетку располагают в гидрокамере с опорными гидрофонами и гидроакустическими излучателями. С помощью излучателя в гидрокамере формируют акустическое поле, моделирующее падающее на антенную решетку поле плоской волны с углом падения, равным нулю, и методом сравнения определяют чувствительность антенной решетки. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и может быть использовано для калибровки измерительных гидроакустических антенных решеток в пространственно ограниченных гидрокамерах.

Известно техническое решение того же назначения [1], согласно которому антенную решетку калибруют в водоеме путем протаскивания относительно антенной решетки специального источника тестового сигнала.

Недостатком известного способа является то, что калибровка антенной решетки в этом случае проводится в ближнем поле, т.е. в условиях, далеких от условий эксплуатации антенной решетки.

В качестве прототипа принят способ определения чувствительности гидроакустической антенной решетки в лабораторных условиях, заключающийся в расположении калибруемой антенной решетки в гидрокамере с размещенными в ней гидроакустическими излучателями и опорными гидрофонами, расположенными вдоль гидрокамеры, формировании в гидрокамере излучателей акустического поля, моделирующего в центральной части гидрокамеры, где размещается антенная решетка, поле плоской волны, и измерении выходных сигналов антенной решетки и опорных гидрофонов, по которым определяют чувствительность антенной решетки [2].

Согласно известного способа в гидрокамере с помощью излучателей формируют продольное распределение акустического давления, которое моделирует в центральной части гидрокамеры плоскую волну, падающую на калибруемую антенную решетку под некоторым углом. Чувствительность калибруемой антенной решетки может быть получена в прототипе при возбуждении излучателей сигналами с заранее определенными фазами и амплитудами (по отношению к центру гидрокамеры) и последующим измерении выходных сигналов антенной решетки и опорных гидрофонов.

В прототипе расчет и генерация сигналов, необходимых для излучателей, а также измерение выходных сигналов антенной решетки и опорных гидрофонов осуществляются с помощью компьютера, связанного с излучателем, опорными гидрофонами и антенной решеткой через интерфейсную плату.

Недостатком известного способа является отсутствие информации о величине погрешности калибровки антенной решетки, а следовательно, и неизвестная точность определения ее чувствительности. Это связано с трудностями в оценке погрешности распределения акустического давления в гидрокамере из-за того, что это распределение получается в результате возбуждения излучателей сигналами, амплитуды и фазы которых определяются экспериментальным образом после проведения предварительных измерений.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является повышение точности определения чувствительности гидроакустической антенной решетки за счет моделирования акустического поля по всей длине гидрокамеры. Это одновременно упрощает и процесс калибровки антенной решетки.

Данный технический результат достигается тем, что в известном способе определения чувствительности антенной решетки в лабораторных условиях, заключающемся в расположении калибруемой антенной решетки в гидрокамере с размещенными в ней опорным гидрофероном и гидроакустическими излучателями, расположенными вдоль гидрокамеры, формировании в гидрокамере с помощью излучателей акустического поля, моделирующего поле плоской волны, и измерении выходных сигналов антенной решетки и опорного гидрофона, по которым определяют чувствительность антенной решетки, с помощью излучателей по всей длине гидрокамеры формируют акустическое поле, моделирующее падающее на антенную решетку поле плоской волны с углом падения, равным нулю.

В частном случае в гидрокамере моделирующее поле плоской волны, падающей на антенную решетку, удовлетворяет математическому соотношению: где P(x)- функция давления [ПА] от продольной координаты x [м]; N - количество излучателей, амплитуды акустических давлений, генерируемых каждым из излучателей, одинаковы; P₀ - амплитуда акустического давления, генерируемого излучателями [ПА]; k - волновое число [1]; при этом координата x_i i-го излучателя описывается формулой x_i=d(i-0,5), i-l,...,N. (2) Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема гидростенда для реализации способа.

Вдоль гидрокамеры 1 эквидистантно с шагом d, симметрично относительно центра расположены N излучателей 2. Следовательно, расстояние от левого края гидрокамеры до центра i-го излучателя будет соответствовать уравнению (2).

Гидрокамера выполнена в виде узкой трубы с достаточно жесткими стенками 3. Внутри гидрокамеры расположены опорный гидрофон 4 и излучатели 2. Опорный гидрофон 4 подключен выходом к прибору 5 (например, вольтметру), изменяющему амплитуду выходного сигнала опорного гидрофона 4. Излучатели 2 подключены к многоканальному задающему генератору 6, подающему на излучатели такие сигналы, одинаковые по частоте и фазе, при которых амплитуды акустических давлений, генерируемых каждым из излучателей, одинаковы. Калибруемая антенная решетка обозначена позицией 7.

Способ реализуется следующим образом.

При возбуждении i-го излучателя 2 гармоническим сигналом в гидрокамере будет генерироваться стоячая волна с распределением давления вдоль гидрокамеры 1 [3]:

где
L - длина гидрокамеры 1.

При работе всех излучателей 2 результирующее акустическое давление в произвольной точке гидрокамеры равно сумме давлений, генерируемых каждым из излучателей 2:

В силу симметрии конфигурации гидрокамеры продольное распределение акустического давления между соседними излучателями не зависит от их расположения вдоль гидрокамеры и выражается в виде пространственной синусоиды, амплитуда которой не зависит от продольной координаты, что доказывается строго математически.

Подставляя выражения (3) и (4) для распределения акустического давления, генерируемого одним излучателем, в формулу для результирующего давления (5) с учетом соотношения (2), описывающего координаты излучателей, получаем, при x_i≅х≅x_i=l распределение акустического давления между соседними излучателями описывается выражением (1). Таким образом, распределение акустического поля при возбуждении всех излучателей известно и доступно для дальнейшего анализа.

При фиксированной частоте возбуждающего сигнала максимальное давление будет на торцах 3 гидрокамеры и в точках, расположенных точно посередине отрезков между соседними излучателями:

Минимальное давление будет в точках расположения излучателей 2

Тогда величину давления в любой точке гидрокамеры 1 можно оценить как P = P_ср± ΔP, используя следующие величины среднего давления и его разброса:

Относительная погрешность этой оценки

Величина этой погрешности зависит от частоты, количества излучателей и расстояния между ними.

Выбором N всегда можно добиться такой величины погрешности, при которой во всем частотном диапазоне неравномерность акустического давления в гидрокамере не будет превышать требуемой величины. Так, при N=200 имеем величину погрешности, не превышающей на частотах до 500 Гц 0,15 дБ, что является для гидроакустических измерений малой величиной.

Таким образом с точностью до погрешностей по всей длине гидрокамеры генерируется одинаковое акустическое давление. Следовательно, по всей длине гидрокамеры формируется акустическое поле, моделирующее падающее на антенную решетку поле плоской волны с углом падения, равным нулю.

Это позволяет с достаточной точностью определять методом сравнения чувствительность решетки в абсолютных единицах.

Таким образом, из-за того, что определение чувствительности антенной решетки проводится в поле с малыми неоднородностями по длине гидрокамеры, появляется возможность не только оценить погрешность калибровки, но и задавать ее величину, а также упрощается процедура проводимых измерений.

Источники информации
1. Патент США N 4290123, кл. 367-13 (H 04 R 29/00), 1981.

2. Патент США N 4468760, кл. 367-13 (H 04 R 29/00), 1984 - прототип.

3. Исакович М.А. Общая акустика. М.: Наука, 1973, 496и

Формула изобретения

1. Способ определения чувствительности гидроакустической антенной решетки в лабораторных условиях, заключающийся в расположении калибруемой антенной решетки в гидрокамере с размещенными в ней опорным гидрофоном и гидроакустическими излучателями, расположенными вдоль гидрокамеры, формировании в гидрокамере с помощью излучателей акустического поля, моделирующего поле плоской волны, и измерении выходных сигналов антенной решетки и опорного гидрофона, по которым определяют чувствительность гидроакустической антенной решетки, отличающийся тем, что моделирующее поле плоской волны формируют по всей длине гидрокамеры с углом падения на антенную решетку, равным нулю.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что моделирующее поле плоской волны удовлетворяет математическому соотношению

где Р(х) - функция давления, Па, от продольной координаты х, м;
N - количество излучателей, амплитуды акустических давлений которых одинаковы;
Р_о - амплитуда акустического давления, генерируемого каждым излучателем, Па;
К - волновое число, 1/м;
d - шаг эквидистантного расположения излучателей в гидрокамере,
при этом координата x_i i-го излучателя описывается формулой
x_i = d(i - 0,5),
где i = 1,...,N.

РИСУНКИ

Рисунок 1