Градуировка акустических датчиков Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 534.86

ГРАДУИРОВКА АКУСТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ

А.В. Кочергин, К. А. Кочергина, Г.Р. Хуснетдинов, С.Ю. Гармонов, А.Н. Карпов

Представлены результаты экспериментальных исследований по решению вопроса калибровки акустических датчиков. Способы, представленные в работе-градуировка прожитом ракетного двигателя, подрывом эталонных зарядов, с использованием воздушной ударной трубы, выстрелом артиллерийского орудия

Ключевые слова: калибровка, датчики быстропеременных давлений, акустические измерения

Одним из важных и ответственных мероприятий экспериментальных акустических исследований является решение вопроса калибрования измерительных каналов системы, от которого зависит достоверность получаемой информации.

Начальным элементом измерительной цепи является датчик, преобразующий действующее на него давление в переменный по времени электрический сигнал. Широкое применение нашли пьезоэлектрические, тензорезистивные датчики и конденсаторные микрофоны. Выбор конкретного типа датчика определяется, в первую очередь, частотным диапазоном процесса и максимальным

размахом пульсаций.

Наиболее распространённый способ определения чувствительности датчика - это сравнение его показаний с образцовым датчиком, имеющим известные метрологические

характеристики. При измерении до уровней 160...170 дБ в качестве образцового может быть использован конденсаторный микрофон типа 4136 фирмы «Брюль и Къер», имеющий погрешность

0,3...0,5 дБ и линейную амплитудно- частотную характеристику в диапазоне частот от 200 Гц до 50 кГц. В этом случае для настройки шумомеров используются пистонфоны, которые являются высокоточными источниками звукового давления. Пистонфон НФ101 создает давление с уровнем 118 дБ на частоте 180 Гц, а пистонфон НФ001 - 124 дБ на частоте 250 Гц. Барометр, входящий в комплект пистонфона, позволяет вносить поправку в уровень звукового давления в зависимости от величины атмосферного давлениях[1]. Сам барометр настраивался для выполнения измерений с учётом

Кочергин Анатолий Васильевич - КВАКУ (ВИ), д-р техн. наук, профессор, тел.(843)262-62-93

Кочергина Ксения Анатольевна - Казанский завод электроприборов, менеджер, тел. (843)262-62-93 Хуснетдинов Газинур Рустямович - КВАКУ (ВИ), адъюнкт, тел. 8-927-241-44-18

Гармонов Сергей Юрьевич - КВАКУ (ВИ), д-р хим. наук, профессор, тел. (843)542-17-10

Карпов Андрей Николаевич - КВАКУ (ВИ), адъюнкт, тел. 8-951-062-20-43

высоты места над уровнем моря и указаний местной метеорологической службы.

Для проведения калибрования измерительных каналов системы в широком диапазоне частот и звуковых давлений могут использоваться такие источники звука как акустическая камера К-З, которая используется в научно-исследовательской лаборатории имени А.С. Фигурова при Казанском артиллерийском командном училище (институте) [2]. Она представляет собой источник звука с диапазоном калибровочных уровней звукового давления от 110 дБ до 170 дБ и диапазоном частот от 120 Гц до 10000 Гц... Принципиальная схема калибрования датчиков и измерительных каналов показана на рис.1. Используемые в работе измерительные приборы представлены на рис.2.

Рис.1. Принципиальная схема калибрования измерительных каналов

Рис.2. Измерительные приборы

1-шумомер 00024; 2-микрофон с

предусилителем МК 301; 3-барометр МТв; 4-

пьезоэлектрический датчик быстропеременного давления ЛХ-610; 5-пистонфон НФ101; 6-

акустическая камера К-3

Градуировка прожигом ракетного двигателя

Однако, акустические преобразователи типа ВТ-300, ВТ-304, ЛХ-610, ЛХ-612, ДХС-516, ДХС-517, И4110, как правило, имеют нелинейные амплитудно-частотные характеристики, поэтому предложенная методика калибрования

измерительных каналов часто оказывается

трудоёмкой, а результаты не являются

исчерпывающими. В связи с этим была отработана

методика, основанная на сравнении спектров сигналов, поступающих с образцового, имеющего известные метрологические характеристики микрофона, и испытуемого датчика [2]. В качестве источника акустических пульсаций применяется ракетный двигатель на твёрдом топливе с тягой не более 100Н. Датчики, характеристики которых необходимо определить, устанавливались в

непосредственной близости от образцового

преобразователя в точке акустического поля

свободной сверхзвуковой струи с координатами а =30° и Ь =30 Да как показано на рис.3. Место установки акустических преобразователей выбрано таким образом, чтобы спектр шума, создаваемого струёй, был близок к спектру «розового» шума. Результаты обработки данных измерений после 3-х прожигов маломасштабных ракетных двигателей позволяют определить усреднённую амплитудночастотную характеристику каждого из серии

калибруемых датчиков и дисперсии поправок для оценки точности их определения.

•А

Рис.3. Градуировка прожигом ракетного двигателя 1-ракетный двигатель; 2-акустические

преобразователи; 3-образцовый микрофон; 4-

измерительный комплекс

На рис.4 представлены усреднённые спектры калибровочных сигналов образцового

конденсаторного микрофона МК 301 фирмы №Т и пьезокерамического датчика ЛХ 610.

Для динамической градуировки пьезоэлектрических датчиков пульсаций давления при больших амплитудах и статическом давлении, превышающем атмосферное, а также повышенных температурах рабочей среды могут применяться другие устройства и методы.

— 150 ттК МК 301

150 ДБ ЛХ 610

10 Б,кГц 16

Рис.4. Спектры калибровочных сигналов

Градуировка подрывом эталонных зарядов

Одним из методов калибрования датчиков быстропеременного давления для измерения импульсных и ударных акустических процессов является метод подрывом эталонных зарядов. Эталонный шариковый заряд подвешивается на нити к специальной стойке, позволяющей изменять положение шарикового заряда по высоте, а измерительные преобразователи располагаютса на равных расстояниях Я от заряда по окружности как показано на рис.5.

Рис.5. Размещение шарикового заряда и датчиков

1-эталонный шариковый заряд; 2-

измерительные преобразователи; 3-стойка

Значение давления ударной волны в

зависимости от массы заряда и расстояния до калибруемого датчика определяется по формуле Садовского:

АРмах = 0,873 + 2,953^ту^ 2 + 7,95 т/к 3

где А Рмах - максимальное избыточное давление во фронте ударной волны;

т - масса заряда;

Я - расстояние от заряда до измерительного преобразователя.Некоторые значения А Рмах в

зависимости расстояния от заряда (массой 135 гр. и 137 гр.) до измерительного преобразователя для ТГ 50/50 представлены в таблице

т= 135 гр. т= 137 гр.

Я, м Р А мак? кг/см2 Я, м Р А мах? кг/см2

1,00 2,295 1,00 2,321

2,00 0,551 2,00 0,556

3,00 0,274 3,00 0,276

Градуировка с использованием воздушной ударной трубы.

Необходимый импульс давления для

калибрования акустических датчиков или

измерительных каналов в целом можно получить в ударной трубе [3]. Общий вид воздушной ударной трубы и её схематичное представление показаны на рис 6. Выброс воздушной пробки и частичное истекание воздушной струи по структуре процесса и звучанию напоминает выстрел из артиллерийского орудия и образовавшуюся при этом дульную волну.

Акустические датчики типа ЛХ-610,

расположенные в ударной трубе на расстоянии 200 см друг от друга, позволяют зафиксировать прохождение фронта воздушного уплотнения и определить скорость ударной волны на выходе из ударной трубы по формуле

с = ЬЛ

и число Маха ударной волны из выражения М = с/а,

где Ь - расстояние между датчиками в трубе, 1 -время прохождения ударной волной участка пути между датчиками,

а =

4к 1Я1Т1

скорость звука , которая определяется по известным параметрам окружающей среды (отсек низкого давления). Калибруемые датчики, расположенные вокруг образцового (характеристики которого известны) конденсаторного микрофона типа 4136 фирмы «Брюль и Къер» или другого (пьезоэлектрического) датчика, заранее отградуированного, оказываются под воздействием избыточного давления воздушной ударной волны рис. 6..Давление в воздушной пробке можно определить по выражению:

Р2 = Р1 [(2к1/к1 + 1)М12 - (кі-1/кі + 1)].

Картину акустического процесса можно наблюдать по амплитудно-временным графикам образцового и калибруемого датчиков, представленным на рис.7

Рис.6. Схема воздушной ударной трубы

1-ударная труба; 2-акустические датчики ; 3-образцовый конденсаторный микрофон; 4-

термометры; 5-манометры; 6-цифровой частотомер

Рис.7а. Амплитудно-временной график датчика ЛХ-610

Рис.7б. Амплитудно-временной график образцового микрофона 4136

Градуировка выстрелом артиллерийского орудия

Чем ближе физическая картина образования калибровочного акустического сигнала и сигнала, который будет измеряться (изучаться) с помощью отградуированных акустических преобразователей, тем достовернее будут измерения или исследования акустического процесса. К примеру, измерения сложных акустических пульсаций, генерируемых истекающей сверхзвуковой высокотемпературной струёй ракетного двигателя, целесообразнее проводить акустическими преобразователями, калибрование которых происходило шумом струи ракетного двигателя (описание см. выше). Более того, из-за сложности структуры источников шума, расположенных по длине сверхзвуковой струи, при

калибровочных операциях необходимо учитывать положение датчика при калибровании и при проведении измерений.

Именно поэтому акустические процессы, создаваемые артиллерийским выстрелом,

эффективнее исследовать акустическими

преобразователями, отградуированными по шуму выстрела.рис 8.

Рис.8. Схема положеия акустических датчиков

1-артиллерийское орудие(ствол с дульным тормозом); 2-акустические преобразователи ЛХ 610;

3-образцовый микрофон 4136; 4-измерительный комплекс

Выстрелом называется выбрасывание снаряда из канала ствола энергией газов, образующихся при сгорании порохового заряда. Явление выстрела связано с газодинамическими и механическими процессами в стволе орудия.

Выстрел из артиллерийского орудия в общем случае сопровождается следующими факторами:

- выбросом снаряда;

- истечением из ствола струи газов;

- выбросом несгоревших пороховых зёрен и копоти;

- вспышкой пламени;

- образованием ударных и акустических волн (звука выстрела).

Акустика выстрела из артиллерийского орудия исследовалась на артиллерийском полигоне Казанского артиллерийского института.

Акустическую характеристику выстрела можно получить по показаниям акустических датчиков, установленных у 122 мм орудия Д-30, как показано на рис.8. Амплитудно-временной график, представленный на рис.9а, получен с помощью датчика Д3. График, представленный на рис.9б, получен с помощью образцового конденсаторного микрофона 4136. По рис.9а и 9б можно определить какому источнику принадлежат те или иные акустические «всплески» на графиках где:

1-ударная волна (косой скачок), образованная сверхзвуковым движением снаряда;

2-ударная дульная волна, образованная

сверхзвуковым выбросом газов сгоревшего пороха;

3-взрывное воспламенение (догорание)

несгоревшего пороха на выходе из ствола орудия;

4-удар при откате ствола;

5-шум, генерируемый истекающими пороховыми газовыми струями из ствола орудия и из окон дульного тормоза;

6-удар при накате ствола.

Необходимо заметить, что истекание пороховых газов из ствола орудия и окон дульного тормоза в процессе выстрела начинается раньше других перечисленных явлений (источников шума), однако из-за разных скоростей распространения ударных волн и звуковой волны шумовой процесс сверхзвуковых истекающих пороховых струй на амплитудно-временных графиках (см.рис.9а, 9б) показан последним в ряду акустических явлений.

Рис.9а. Амплитудно-временной график, полученный с помощью датчика ЛХ-610

Рис.9б. Амплитудно-временной график, полученный с помощью образцового микрофона 4136фирмы”Брюль и Кьер”

Сравнением полученных акустических показаний калибруемого датчика и акустических характеристик образцового конденсаторного микрофона определяются акустические

характеристики калибруемого датчика.

Литература

1. Антонов А.Н., Купцов В.М., Комаров В.В. Пульсации давления при струйных и отрывных течениях. - М.:Машиностроение, 1990. -271 с.

2. Кочергин А.В., Жарких А.К., Павлов Г.И. Акустические измерения.- Казань: Изд. КВАКУ, 1996.-91с.

3. Краснов Н.Ф., Кошевой В.И., Данилов А.Н. Прикладная аэородинамика. М.: Высшая школа, 1974.- 726 с.

Казанское высшее артиллерийское командное училище (Военный институт)

Казанский завод электроприборов

ACOUSTIC TRANSDUSER GRADUASHION

A.V. Kochergin, K.A. Kochergina, G.R. Husnetdinov, S.U. Garmonov, A.N. Karpov

We produce the results of the experimental researches of solving the problem of acoustic transducer calibration. The following methods are presented in the work-graduation of rocket engine burn through, explosion of the standard charge with the use of air percussive tube, shots of artillery piece

Key words: calibration, quick-changing pressures transducers, acoustic tests