Способ градуировки обратимого пьезоэлектрического преобразователя и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для градуировки гидрофонов. Способ основан на линейности прямого и обратного пьезоэффектов для взаимных преобразователей. Обратимый пьезоэлектрический преобразователь возбуждают радиоимпульсами с различными частотами заполнения, окончание радиоимпульсов происходит при амплитудном значении напряжения. Измеряют амплитуды свободных колебаний, которые принимают приемным преобразователем. По этим величинам определяют относительную чувствительность гидрофона на прием на различных частотах возбуждения. Абсолютную чувствительность определяют одним из абсолютных методов на одной или нескольких частотах. Изобретение позволяет повысить точность и упростить градуировку гидрофонов в области низких частот от долей герца до нескольких килогерц без использования камер малого объема. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам и устройствам для градуировки гидрофонов.

Известны устройства для градуировки гидрофонов в радиоимпульсном режиме [1], [2].

В качестве прототипа по предлагаемому способу выбран известный способ градуировки пьезоэлектрического преобразователя путем возбуждения в нем электрическими импульсами известной амплитуды свободных колебаний и выделение отклика на возбуждение после прекращения электрических импульсов в момент минимального тока короткого замыкания на выходе преобразователя при его свободных колебаниях [3].

К недостаткам способа следует отнести необходимость измерения величины тока короткого замыкания, приведенной к моменту окончания радиоимпульса. На точность этого приведения влияет момент измерения: в момент окончания радиоимпульса значительны переходные процессы, а по мере затухания вынужденных колебаний уменьшается амплитуда тока.

Другим недостатком является необходимость измерения гибкости преобразователя, которая также, вообще говоря, зависит от частоты. Для точного определения чувствительности преобразователя при использовании данного способа требуется знание неточности описания акустических свойств при помощи электрической схемы.

В качестве прототипа по предлагаемому устройству выбрано известное устройство для градуировки акустического приемника, содержащее излучатель в виде шестиполюсника с акустическим выходом, связанным с градуируемым приемником, соединенным с регистрирующим прибором. Способ градуировки в устройстве осуществляется по формуле на основании измерения ЭДС на втором электрическом входе излучателя и других известных данных процесса градуировки [4].

К недостаткам устройства следует отнести то, что градуировка происходит в режиме увеличения напряжения возбуждения от нуля до заранее неизвестной величины на каждой из возбуждающих частот, что требует определенного времени и может привести к влиянию отражений на результат градуировки. Кроме того, двойное интегрирование ЭДС приемного гидрофона предполагает, что излучение пропорционально квадрату частоты, но это положение для каждого определенного гидрофона требует проверки.

К недостаткам способа следует отнести то, что в формуле для определения чувствительности есть константа излучения, постоянство которой для рабочих частот требует отдельной проверки. Другим недостатком является то, что параметр взаимности требует отдельного определения для конкретных условий измерения.

Целью изобретения является устранение указанных недостатков и упрощение процедуры градуировки гидрофонов в области низких частот (с возможностью исключения применения камер) от долей Герца до нескольких килогерц, и повышение точности градуировки.

Предлагаемый способ градуировки основан на линейной зависимости уравнений прямого и обратного пьезоэффекта для пьезоэлектрических взаимных преобразователей, в том числе для преобразователей, работающих на основе пьезокерамики.

Идея способа состоит в том, что градуируемый гидрофон подвергается воздействию напряжения различных частот с одинаковой амплитудой, а затем источник напряжения отключается от гидрофона (при достижения амплитудного значения возбуждающего напряжения) и гидрофон переходит в режим свободных колебаний. Его излучение принимает гидрофон-приемник и величина принимаемого сигнала измеряется.

Величина напряжения на выходе гидрофона-приемника U_пр пропорциональна величине звукового давления на частоте свободных колебаний, которая, в свою очередь, пропорциональна величине смещения ζ_cp. На низких частотах гидрофон совершает практически упругие колебания. В этом случае величина смещения на частоте возбуждения ζ_τ равна величине смещения на частоте свободных колебаний ζ_ср. В соответствии с уравнениями пьезоэффекта отношение смещения на частоте возбуждения ζ_τ (которое пропорционально U_пр) к напряжению, подаваемому на гидрофон U_изл - M пропорционально U_пр/U_изл и при постоянном значении U_изл - M пропорционально U_пр.

Измеряя при различных частотах возбуждения величину сигнала, излучаемого гидрофоном на частоте свободных колебаний, получают относительную чувствительность гидрофона на частотах возбуждения.

Для перехода к абсолютной чувствительности можно использовать какой-либо из абсолютных методов градуировки, например, гидростатический метод, на одной или нескольких частотах диапазона перекрытия предлагаемого способа и абсолютного метода.

Сравнение заявляемых технических решений с прототипом способа и устройства позволило установить соответствие их критерию "новизна".

Анализ известных технических решений в исследуемой области позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с существенными отличительными признаками заявляемого способа и устройства, и признать заявляемое решение, соответствующим критерию "существенные отличия", Устройство по предлагаемому способу изображено на чертеже.

Устройство содержит генератор синусоидального сигнала 4, генератор запускающих импульсов 5, излучающий 16 и приемный 17 преобразователи, усилитель 13, третьоктавный анализатор 18, цифровой осциллограф 14, ключи первый 1, второй 2 и третий 3, схему управления ключами 7, компаратор 9 регулятор уровня срабатывания компаратора 8, счетчик числа периодов синусоидального сигнала 11, схему совпадения 12, регулируемый усилитель 6, фазовращатель 10 и суммирующий усилитель 15.

Работа устройства происходит следующим образом. Сигнал генератора 4 поступает на ключ 1, который управляется схемой управления 7, а последняя управляется генератором импульсов 5 и схемой совпадения 12.

Сигнал с выхода ключа 1 поступает на регулируемый усилитель 6, усилитель 13 и компаратор 9. Сигнал с выхода усилителя 13 поступает на ключ 2, а с выхода последнего поступает на гидрофон 16, вход ключа 3 и первый вход осциллографа 14. Осциллограф имеет внешнюю синхронизацию от схемы совпадения 12. С генератора 4 поступает строб-сигнал на вход счетчика 11, а разрешение на работу счетчика 11 поступает со схемы 7. Уровень срабатывания компаратора 9 устанавливается регулятором уровня 8, а сигнал, поступающий на гидрофон 16, записывается по первому входу осциллографа 14, синхронизация которого установлена с опережением синхронизирующего сигнала со схемы совпадения 12. Синхронизирующий сигнал образуется после отсчета установленного на счетчике 11 числа периодов возбуждающего сигнала, т.к. компаратор на каждом периоде сигнала при достижения амплитудного значения срабатывает.

В этот момент ключ 2 закрывается, а ключ 3 открывается и закорачивает выводы гидрофона 16 на корпус. Ключи 1 и 2 отключают сигнал генератора 4 от остальной части устройства и гидрофона 16, причем ключ 1 размыкается с задержкой, равной задержке распространения акустического сигнала от гидрофона 16 до приемного гидрофона 17. Задержка осуществляется в схеме управления ключами 7. До того времени, когда сигнал генератора 4 не отключился, гидрофон 16 излучал акустический сигнал, который принимал гидрофон 17, а электрический сигнал усиливался 1/3 - октавным анализатором 18, настроенным на частоту, ближайшую к частоте свободных колебаний гидрофона 16. С выхода анализатора 18 сигнал поступает на суммирующий усилитель 15, на который поступает также сигнал с фазовращателя 10, а на вход последнего поступает сигнал с регулируемого усилителя 6. На вход усилителя 6 сигнал поступает с выхода ключа 1. С помощью усилителя 6 и фазовращателя 10 можно добиться компенсации сигнала, поступающего с выхода суммирующего усилителя 15 на второй вход осциллографа 14, на тех частотах, на которых заметно прохождение через анализатор 18 сигнала возбуждающей частоты для гидрофона 16.

В момент замыкания ключа 3 гидрофон 16 переходит в режим свободных колебаний и величина излучаемого при этом сигнала измеряется при помощи осциллографа 14.

Предложенный способ измерения чувствительности гидрофонов и устройство для его осуществления имеют преимущества по сравнению с известными способами и устройствами.

Для способа - это фиксация точного значения амплитуды возбуждающего напряжения, т. к. именно при амплитудном значении прекращается подача возбуждающего напряжения.

Не требуется измерять значение тока короткого замыкания, приведенного к моменту окончания радиоимпульса. Не требуется определять параметр гибкости преобразователя. Задействованы акустические свойства преобразователя непосредственно, а не электрические.

Для устройства преимущество состоит в том, что не требуется специальный излучатель, на дополнительных выводах которого измеряется ЭДС для определения чувствительности градуируемого гидрофона. Отсутствует операция двойного интегрирования этой ЭДС. Градуируемый гидрофон работает в режиме излучения только на частоте свободных колебаний.

Все указанное выше позволяет расширить диапазон измерения чувствительности, упростить процесс измерения чувствительности.

Применение предложенного изобретения позволяет проводить измерения чувствительности гидрофонов без применения измерительных камер и повысить точность градуировки. Экономическая эффективность от этого может оказаться весьма значительной.

Проведенные измерения чувствительности гидрофонов на макете по предложенному изобретению показали, что можно проводить измерения чувствительности в частотном диапазоне от долей герца до 10...15 кГц, при резонансной частоте градуируемого гидрофона около 40 кГц.

Источники информации 1. Колесников А.Е. "Акустические измерения" - Л.: Судостроение, 1983 г.

2. Боббер Р. "Гидроакустические измерения" - М.: Мир, 1974 г.

3. А. с. N 1175036, кл. H 04 R 29/00. Способ градуировки пьезоэлектрического преобразователя (прототип).

4. А. с. N 782186, кл. H 04 R 29/00. Устройство для градуировки акустического приемника и способ ее осуществления (прототип).

Формула изобретения

1. Способ градуировки обратимого пьезоэлектрического преобразователя, который возбуждают радиоимпульсами фиксированной амплитуды с частотой заполнения, соответствующей частоте градуировки, отличающийся тем, что обеспечивают окончание радиоимпульса при амплитудном значении напряжения с одновременным коротким замыканием выводов преобразователя и акустическую связь с преобразователем-приемником в среде, в которой производят градуировку обратимого пьезоэлектрического преобразователя, амплитуду сигнала частоты свободных колебаний которого измеряют с помощью преобразователя-приемника и по этим измерениям определяют относительную чувствительность градуируемого преобразователя на частотах градуировки, а абсолютную чувствительность градуируемого преобразователя определяют абсолютным методом на одной или нескольких частотах и пересчитывают на другие частоты по значениям относительной чувствительности градуируемого преобразовтеля.

2. Устройство для градуировки обратимого пьезоэлектрического преобразователя, содержащее генератор синусоидального сигнала, генератор запускающих импульсов, излучающий и приемный преобразователи, усилитель, третьоктавный анализатор и цифровой осциллограф, отличающееся тем, что для осуществления градуировки в него введены первый, второй и третий ключи, схема управления ключами, компаратор, регулятор уровня срабатывания компаратора, счетчик числа периодов синусоидального сигнала, схема совпадения, регулируемый усилитель, фазовращатель и суммирующий усилитель, первый вход которого соединен с выходом фазовращателя, вход последнего соединен с выходом регулируемого усилителя, вход которого соединен с выходом первого ключа, а вход первого ключа соединен с выходом генератора синусоидального сигнала, второй вход суммирующего усилителя соединен с выходом третьоктавного анализатора, вход которого соединен с выходом преобразователя-приемника, а выход суммирующего усилителя соединен со вторым входом цифрового осциллографа, вход излучающего (градуируемого) преобразователя, вход третьего ключа и первый вход цифрового осциллографа соединены с выходом второго ключа, вход которого соединен с выходом усилителя, вход последнего соединен с выходом первого ключа и первым входом компаратора, второй вход которого подсоединен к регулятору уровня срабатывания компаратора, а выход компаратора соединен с первым входом схемы совпадения, второй вход которой соединен с выходом счетчика числа периодов синусоидального сигнала, а вход счетчика соединен с выходом строб-сигнала генератора синусоидального сигнала, выход схемы совпадения соединен с синхронизирующим входом цифрового осциллографа и вторым входом схемы управления ключами, вход начальной установки счетчика числа периодов синусоидального сигнала и управляющий вход третьего ключа соединены с инверсным выходом схемы управления ключами, прямой выход схемы управления ключами соединен с управляющим входом второго ключа, а задержанный прямой выход схемы управления ключами соединен с управляющим входом первого ключа, первый вход схемы управления ключами подсоединен к генератору запускающих импульсов.

РИСУНКИ

Рисунок 1