Способ определения коэффициента передачи гидрофонного тракта в натурных условиях и гидрофонный тракт для его реализации
Владельцы патента RU 2450479:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к гидроакустике. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности определения коэффициента передачи гидрофонного тракта в натурных условиях. Гидрофонный тракт для реализации способа содержит пьезочувствительный элемент, усилитель, блок обработки и регистрации, электрический эквивалент пьезочувствительного элемента и управляемый переключатель, выполненный с возможностью управляемого подключения к входу усилителя пьезочувствительного элемента или его электрического эквивалента, выход усилителя соединен кабелем с блоком обработки и регистрации. Гидрофонный тракт дополнительно содержит измеритель температуры электрического эквивалента пьезочувствительного элемента, выполненного в виде резистора. Усилитель может быть выполнен многокаскадным, электрический эквивалент может быть выполнен в виде прецизионного резистора или в виде резистора номиналом (0,1-1) МОм. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к измерительной технике и метрологии в области гидроакустики.
Известен способ того же назначения, заключающийся в подаче на вход гидрофонного тракта (ГТ) тестового сигнала и измерении отклика калибруемого ГТ на тестовый сигнал при отключенном гидрофоне (RU 88236, кл. H04R 1/44, 27.10.2009).
Данный способ принят за прототип в отношении способа определения коэффициента передачи гидрофонного тракта в натурных условиях.
Известен ГТ, содержащий пьезочувствительный элемент (ПЭ), усилитель, блок обработки и регистрации, электрический эквивалент ПЭ и управляемый переключатель, выполненный с возможностью управляемого подключения к входу ПЭ или его электрического эквивалента, выход усилителя соединен кабелем с блоком обработки и регистрации (RU 88236, кл. H04R 1/44, 27.10.2009).
Данный ГТ принят за прототип устройства.
В прототипах способа и устройства при калибровке ГТ в натурных условиях ПЭ ГТ заменяют на его электрический эквивалент - конденсатор по емкости, равной емкости ПЭ гидрофона.
Недостатком известных способа и устройства является невозможность определения в натурных условиях амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) ГТ или его коэффициента KГТ(f) передачи.
Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретений, является получение возможности определения коэффициента передачи ГТ в натурных условиях.
Данный технический результат в части способа достигается за счет того, что в известном способе определения коэффициента передачи ГТ в натурных условиях, заключающемся в подаче на вход ГТ тестового сигнала и измерении отклика калибруемого ГТ на тестовый сигнал при ненагруженном ГТ, в качестве тестового сигнала, подаваемого на вход ГТ, используются тепловые шумы Джонсона, при этом коэффициент КГТ (f) передачи ГТ определяется по формуле:
где КГ(f) - паспортное значение коэффициента передачи ненагруженного гидрофона ГТ на частоте f, Гц;
SГ(f, То) - паспортное значение узкополосного спектра теплового шума Джонсона на выходе ненагруженного гидрофона ГТ, соответствующего температуре То, К;
SГТ(f, Т) - узкополосный спектр теплового шума Джонсона, снимаемого с выхода ГТ, измеренный в натурных условиях при температуре Т, К.
Данный технический результат в качестве устройства достигается за счет того, что в известном ГТ, содержащем ПЭ, усилитель, блок обработки и регистрации, электрический эквивалент ПЭ и управляемый переключатель, выполненный с возможностью управляемого подключения к входу усилителя ПЭ или его электрического эквивалента, выход усилителя соединен кабелем с блоком обработки и регистрации, дополнительно содержится измеритель температуры электрического эквивалента ПЭ, выполненного в виде резистора.
Усилитель может быть выполнен многокаскадным.
Электрический эквивалент может быть выполнен в виде прецизионного резистора.
Электрический эквивалент выполнен в виде резистора номиналом (0,1÷1) МОм.
Изобретения поясняются чертежом, на котором представлена схема ГТ для реализации способа.
ГТ содержит ПЭ 1, управляемый переключатель 2 (цепь управления переключателем 2 отдельно не оцифрована) и многокаскадный усилитель 3 (в нашем случае двухкаскадный), состоящий из входного 4 и выходного 5 усилителей. Имеется также электрический эквивалент ПЭ 1, выполненный в виде прецизионного резистора R номиналом (0,1÷1) МОм и блок обработки и регистрации, выполненный в виде анализатора 6 спектра, соединенного с входными схемами ГТ кабелями 7. Импеданс кабелей 7 условно обозначен ZH.
Рядом с сопротивлением R установлен датчик 8 температуры.
Способ реализуется следующим образом.
Перед вводом ГТ в эксплуатацию он подвергается метрологической аттестации, в результате которой определяют паспортное значение коэффициента KГ (f) передачи ненагруженного гидрофона на частотах f, и паспортное значение узкополосного спектра SГ (f, То) теплового шума Джонсона на выходе ненагруженного гидрофона, соответствующего температуре То, получаемого с сопротивления R.
В процессе эксплуатации ГТ в натурных условиях проводят периодическую калибровку тракта.
Для этого дистанционно переключают ГТ из режима измерения в режим калибровки путем подачи на переключатель 2 управляющего сигнала (УПР).
При этом измеряют спектр выходного сигнала SГТ(f, Т) гидрофонного тракта с помощью анализатора 6 спектра и температуру Т резистора R датчиком 8 температуры.
Выходной сигнал еm с резистора R обусловлен тепловым шумом Джонсона, спектральная плотность мощности SR которого рассчитывается по известной формуле Найквиста (2):
где К - постоянная Больцмана.
Спектральные уровни шумов Джонсона лежат в диапазоне 
для резисторов, величина сопротивления которых R=(0,1÷1,0) МОм, в то время как спектральные уровни собственных шумов гидрофонного тракта как правило НВ не превышают 
Затем по формуле (1) определяют коэффициент передачи КГТ (f)ГТ в натуральных условиях.
Математическое соотношение (1) получено из следующих соображений.
АЧХ нагруженного тракта будет
где A(f) и 
- АЧХ выходного усилителя 5 на холостом ходу и под нагрузкой ZH соответственно;
КГ (f) и КГТ (f) - АЧХ гидрофонного тракта на холостом ходу (АЧХ гидрофона из паспорта) и под нагрузкой соответственно.
Когда переключатель 2 находится в нижнем положении, узкополосный спектр на выходе усилителя 4 U (f, Т) пропорционален абсолютной температуре Т (следует из формулы 2) и не зависит от нагрузки ZH, т.е.
где α(f) - коэффициент, зависящий от значений сопротивления R и коэффициента усиления усилителя 4, стабильных во времени.
Отсюда следует, что
.
Из формул (3) и (5) следует формула (1).
В диапазоне температур от -4°С до +20°С температуру можно не учитывать, т.е. отказаться от измерения температуры. Тогда формула (1) упрощается и имеет вид:
При этом погрешность из-за неучтенной температуры не превосходит 0,36 дБ.
1. Способ определения коэффициента передачи гидрофонного тракта в натурных условиях, заключающийся в подаче на вход гидрофонного тракта тестового сигнала и измерении отклика калибруемого гидрофонного тракта на тестовый сигнал при ненагруженном гидрофоне гидрофонного тракта, отличающийся тем, что в качестве тестового сигнала, подаваемого на вход гидрофонного тракта, используют тепловые шумы Джонсона, при этом коэффициент KГТ(f) передачи гидрофонного тракта определяется по формуле:
где КГ (f) - паспортное значение коэффициента передачи ненагруженного гидрофона гидрофонного тракта на частоте f, Гц;
SГ (f, To) - паспортное значение узкополосного спектра теплового шума Джонсона на выходе ненагруженного гидрофона гидрофонного тракта, соответствующего температуре Тo, К;
SГТ (f, Т) - узкополосный спектр теплового шума Джонсона, снимаемого с выхода гидрофонного тракта, измеренный в натурных условиях при температуре Т, К.
2. Гидрофонный тракт для реализации способа по п.1, содержащий пьезочувствительный элемент, усилитель, блок обработки и регистрации, электрический эквивалент пьезочувствительного элемента и управляемый переключатель, выполненный с возможностью управляемого подключения к входу усилителя пьезочувствительного элемента или его электрического эквивалента, выход усилителя соединен кабелем с блоком обработки и регистрации, отличающийся тем, что дополнительно содержит измеритель температуры электрического эквивалента пьезочувствительного элемента, выполненного в виде резистора.
3. Гидрофонный тракт по п.2, отличающийся тем, что усилитель выполнен многокаскадным.
4. Гидрофонный тракт по п.2, отличающийся тем, что электрический эквивалент выполнен в виде прецизионного резистора.
5. Гидрофонный тракт по п.2, отличающийся тем, что электрический эквивалент выполнен в виде резистора номиналом (0,1÷1) МОм.
