CC BY
72
9,град
Рис. 4. ДН \Я(в, г)\ круглого поршня в плоскости в (графики 1, 2, 3, 4 соответствуют г,/г = 0; 5; 10; 20)
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Свердлин ГМ. Прикладная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1990.
2. ШендеровЕЛ. Излучение и рассеяние звука. - Л.: Судостроение, 1989.
3. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с.
4. . ., . . . - .:
Судостроение, 1989. - 256 с.
ИЗМЕРЕНИЕ ФАЗОЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ АКУСТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧАТЕЛЯ НЕЛИНЕЙНЫМ МЕТОДОМ
А.М. Гаврилов, Р.О. Ситников
В работе приведены результаты экспериментальной апробации нелинейного метода измерения фазочастотной характеристики (ФЧХ) акустического излучателя [1, 2], в основу которого положено использование эффекта фазового запрета 1-й гармоники волны разностной частоты (1-й ВРЧ), генерируемой в среде трехчастотной волной накачки. Зависимость амплитуды 1-й ВРЧ от фазовых соотношений в спектре накачки позволяет определять фазовые искажения, вносимые излучающим трактом в трехчастотный сигнал (ю = ю0 - £2, ю0, юв = ю + Я, где £2 << ю0). Отличительной особенностью рассматриваемого метода является возможность учета всех фазовых , ,
- ,
дифракционными процессами в акустическом тракте. Среди преимуществ метода следует отметить отсутствие необходимости в градуированных приемниках звука с
известными АЧХ и ФЧХ чувствительности, не критичность к стабильности местоположения звукоприемника, простоту технической реализации и высокую точность.
Для проведения экспериментальных исследований рассматриваемого метода была разработана и реализована лабораторная установка, позволяющая проводить измерения ФЧХ излучателя в автоматическом режиме без участия оператора. Структурная схема измерительного комплекса приведена на рис.1.
В состав установки вошли: излучающий тракт (формирователь радиоимпульсов с трехчастотным заполнением, линейный усилитель мощности, пьезокерамический излучатель), приемный тракт (приемный гидрофон, пассивный фильтр нижних частот, полосовой усилитель, временной селектор), набор стандартной изме-( , , , ), сбора и обработки информации (пиковый детектор, АЦП, устройство сопряжения с ), .
Промышленные измерительные приборы (отечественного производства) помимо функции визуального контроля за соответствующими параметрами излучаемого и принимаемого гидрофоном сигналов осуществляют аналогово-цифровое преобразование их величин благодаря наличию встроенных цифровых выходов. Информация об этих параметрах в двоично-десятичном коде поступает на устройство сопря-.
Устройство сопряжения обеспечивает передачу данных от измерительных приборов к ЭВМ и программное управление работой всей установки. В функции устройства управления входят: организация 4-р^рядной мультиплексированной шины передачи данных для подключения цифровых выходов измерительных приборов к параллельному порту (LPT) ЭВМ; выработка и фиксация командных сигналов для управления процессом измерений; отсчет и хранение данных о перемещении коор-.
Рис. 1. Структурная схема экспериментальной установки для проведения автоматизированных измерений ФЧХ акустического излучателя
Организация и управление процессом измерений осуществляется ЭВМ с помощью специально разработанной программы. В алгоритм управляющей программы заложена процедура контроля достоверности измерений, исключающая случайные
.
В лабораторных исследованиях использовался измерительный гидроакустический бассейн размерами 190x70x70 см, имеющий акустически заглушенные стенки для исключения мешающего влияния переотраженных от границ бассейна сигналов и
. -образователей имеют по три степени свободы, снабжены электромеханическими приводами и оптоэлектронными датчиками положения, что позволяет организовать автоматизированные измерения пространственных распределений параметров акустических полей с заранее заданным шагом.
Весь процесс измерений состоит из задаваемого в программе необходимого , -(АФХ) 1-й ВРЧ, из которой в последующем находится одна из точек на ФЧХ излучателя. Между собой циклы отличаются значениями частоты, для этого в управляющей программе предусмотрена перестройка средней частоты накачки ю0 с заранее устанавливаемым шагом Аю0. На протяжении периода измерений одной частотной зависимости разностная частота О остается неизменной, ее величина выбирается достаточно малой (О << оо) исходя из условия максимально допустимой погрешности метода [2]. Ограничением снизу при выборе разностной частоты является поддержание достаточного для проведения надежных измерений отношения сигнал/помеха 1-й ВРЧ, которое снижается по мере уменьшения О из -за ухудшения эффективности нелинейного преобразования энергии накачки в низкочастотную волну (известное со-
- ).
В качестве излучателя использовался круглый пьезокерамический (ЦТС-19) преобразователь (радиус излучающей поверхности а = 8 мм) с частотой механического резонанса/¡, = тР /2п= 1 312 кГц. Измеренный размер ближней зоны для волны накачки составил 4 = 56 мм. Для регистрации амплитуды 1-й ВРЧ использовался миниатюрный цилиндрический приемник (3^3 мм), расположенный на расстоянии х = 5-4 = 280 мм от излучателя. Выбор расстояния между излучателем и приемником в данном случае определялся двумя условиями: во-первых, завершением дифракционных процессов в волне накачки для всего диапазона предполагавшейся перестройки ее частоты; во-вторых, обеспечением насколько это возможно больших амплитуд 1- . .
Импульсный режим излучения накачки помимо возможности временной селекции принимаемых сигналов позволил исключить влияние нелинейных процессов , . В то же время, длительность радиоимпульсов (т = 350 мкс) и период их следования (Тсл = 10 мс) обеспечили выполнение условия квазинепрерывного режима излучения (т >> 2л/ю0 , 2л/О) для всех использовавшихся в эксперименте частот о и О.
Во время проведения измерений максимальная амплитуда напряжения внут-риимпульсного заполнения на излучателе поддерживалась постоянной и была равна и = 90 В. Боковые составляющие спектра накачки имели равные амплитуды, которые соотносились с амплитудой центральной компоненты как
и (о) = иЫ=т=А и (о) и (о) 2 2 ■
(1)
При фазовом инварианте накачки в= [(рн + <рв)/2 - р0] = 0 и соотношении (1) заполнение импульса представляет собой амплитудно-модулированный (АМ) сигнал с
коэффициентом модуляции т = ^¡2 [1]. Здесь рн, рв, (р0 - начальные фазы спек-
тральных компонент. Для реализации рассматриваемого метода выбор величины коэффициента модуляции не является принципиальным и определяется лишь эффективностью нелинейной генерации 1-й ВРЧ. В работе [3] показано, что зависимость амплитуды 1-й ВРЧ от величины коэффициента модуляции имеет экстремум при m
=V2 в случае фиксированной средней мощности AM накачки и при m = 1 для неизменной пиковой мощности. Равенство амплитуд боковых компонент спектра и(щ) = U(m), как следует из работы [1], не является обязательным для данного ме-.
измерительной установки (по форме AM сигнала) и последующего контроля ее рабо.
Среди требований к приемному тракту важное место занимает необходимость недопущения на его вход мощных сигналов на частотах накачки, исключая таким образом появление паразитного сигнала разностной частоты в приемном трак-
- .
ФНЧ. Для усиления принятого гидрофоном сигнала 1-й ВРЧ применен полосовой , -ческих шумов на выходе приемного тракта.
Как следует из описания метода [1], методика получения ФЧХ излучателя предполагает выполнение двух этапов: этап измерений и этап вычислений. На первом этапе измеряется частотная зависимость расстройки фазового инварианта (РФИ) Aß(rn), которая обусловлена фазовыми набегами трехчастотной волны накачки в излучателе. По существу РФИ есть не что иное, как разность значений фазового инварианта на входе и выходе излучателя. Заметим, что в измеряемой зависимости Aßai) присутствует вклад дифракции и ФЧХ усилителей излучающего тракта, однако, чтобы не усложнять описание, эти вклады не будем выделять отдельно. Данное замечание формально относит (но не исключает) фазовые искажения в сигнале из-за дифракции и нелинейной ФЧХ усилителя на счет излучателя. Заметим, что на практике при обмере ФЧХ реальной гидроакустической системы интерес представляет учет всех источников фазовых искажений.
В случае необходимости влияние электрического излучающего тракта можно исключить путем использования широкополосных усилителей с линейной ФЧХ в диапазоне рабочих частот излучателя. Вклад дифракционных процессов также можно сделать пренебрежимо малым, обеспечив для частотного параметра сигнала накачки Ф = т0IQ выполнение условия Ф > 10 [4]. Последнее замечание практически всегда имеет место в рамках рассматриваемого метода.
На втором этапе, используя известные соотношения [1], по измеренной зависимости АД®) вычисляется любая из трех характеристик, отражающих фазовые искажения, испытываемые сигналом в процессе излучения: ФЧХ, частотные зависимости группового времени задержки (ГВЗ) и производной ГВЗ.
Измеряемая в каждом цикле первого этапа АФХ 1-й ВРЧ представляет собой зависимость амплитуды 1-й ВРЧ от фазового инварианта накачки. Для этого фазовый инвариант трехчастотного сигнала непрерывно изменяется формирователем радиоимпульсов (под управлением программы) в пределах 0 - 2200. Учитывая цикличность изменения АФХ, этого диапазона вполне достаточно для нахождения коорди-( ). -грамма автоматически вычисляет значения координат ßmin и ßmax. Эти величины отличаются между собой на 900 [1], поэтому достаточно определить одну из них. Предпочтение следует отдать ßmin , поскольку крутизна изменения АФХ вблизи миниму-, , , , , и было использовано в данной работе.
ßmin , -
тоты накачки т0 , после чего все измерения повторяются. Значения частоты т0 и со-
ответствующие им координаты минимума АФХ ¡Зтт записываются в файл отчета. Измеренная зависимость втш(оЗ) представляет собой сумму
впп(т) = А/3 (т) + в,
(2)
где в - значение фазового инварианта на входе излучателя. Величину в несложно определить, поскольку вне резонансной области частот она является асимптотой измеренной функции втіп(т) [1]:
в= 11твтіп(т) = 1іт вшт(т) •
<т 0
(3)
20
-20
Ав, гра й 1- Р = 40 кі’ц
2-Р = 50 к1’ц 3-Р = 60 к1 ’и
у 4-Р = 90 к1 'и
5 - Р =120 к!ц
- 2^^
4^ со! сор
Узд'тР (Рад-)
1-р = 40 кГц
2 - Р = 50 кГц
3 - Р = 60 к! ц
4 - Р = 90 кГц
5 - Р = 120 кГа
0.85
0.9
0.95
1.05
1.1
1.15
).85 0.9 0.95
Рис. 2. Измеренная зависимость РФИ от Рис. 3. Частотная зависимость
частоты ю0 при различных значениях производной ФЧХ при различных
разностной частоты £ значениях разностной частоты £
На рис. 2 приведены экспериментальные зависимости РФИ, полученные при различных значениях разностной частоты £ . Масштаб оси частот на этом и последующих рисунках пронормирован на частоту механического резонанса излучателя юР. Видно, что по мере уменьшения £ все более явно проележивается влияние локальных резонансов колебательной системы электроакустического преобразователя в виде дополнительных минимумов, которые отсутствуют в случае моночастотного излучателя [1].
Частотная зависимость производной ГВЗ излучателя Г3д(т) связана с ФЧХ, ГВЗ и частотной зависимостью РФИ известным соотношением [1]
(т= (т) = ё 2ф(ю)
ід ёт ёт2
2
Ав(т) ¡¡2
(4)
где <р(ю) - ФЧХ излучателя. На рис. 3 приведены безразмерные (за счет введения множителя Юр') зависимости /’зд(ю) при различных значениях разностной частоты, рассчитанные согласно (4) по измеренным АДю) на рис. 2. Диапазон изменения производной ГВЗ в околорезонансной области частот, как показано в работе [1], определяется добротностью излучателя. Если сравнить полученные экспериментально характеристики /’эд(ю) с аналогичными теоретическими на рис. 7 [1], то по количественному согласию диапазонов изменения производной ГВЗ нетрудно прийти к выво-, -рядка Q ~ 10.
Асимметрия относительно оси частот и изрезанный характер частотной зависимости производной ГВЗ являются индивидуальными признаками обмеряемого излучателя. Точность разрешения локальных минимумов возрастает по мере уменьшения разностной частоты, что, в свою очередь, является необходимым условием приближения экспериментальной зависимости (4) к точной характеристике /’зд(ю).
Для оценки значения добротности нагруженного на воду излучателя была измерена зависимость от частоты активной составляющей его электрической проводимости (рис. 4). При этом использовалась автоматизированная установка для измерений электрических параметров пьезоэлементов и преобразователей, описанная в работах [5, 6]. Добротность, определяемая известным соотношением [7], оказалась равной
Q = Юр /Лю ~ 12.
Это значение близко, хотя и несколько больше полученной выше величины, поскольку условия их измерений различаются степенью электрического демпфирования со стороны источника сигнала.
В описании метода [1, 2] отмечалось, что для получения частотной зависимости ГВЗ и ФЧХ достаточно провести соответственно однократное или двукратное интегрирование по частоте характеристики Гзд(ю), которая, в свою очередь, связана с измеренной зависимостью Л/3(ю) соотношением (4). Поскольку в процессе измерений результаты получены в виде двух массивов данных ¡ЗтЫ и Юз, интегрирование заменено операцией суммирования. Так, в частности, частотная зависимость ГВЗ определена посредством пересчета результатов измерений с использованием выражения
і — • —
^ И = X -Ь- • (Г+1 - Р,) • -П
і=1 и
(5)
где Д- - значения /ЗтЫ из массива данных в файле отчета; - соответствующие значе-
ния центральной частоты накачки ю0 /2п. Полученные при этом зависимости %(ю) . 5.
асимметрии характеристики, а также - несвойственных моночастотному излучателю искажениях ее формы (рис. 3) [2]. Хорошо видно, что, как и в случае ГЗД(Ю) на рис. 3, к выбору разностной частоты следует подходить крайне тщательно, иначе отмеченные особенности могут быть “потеряны” из-за сглаживания получаемых характеристик при больших значениях £.
0 6
0.4
С/Стсос
0.707 .
/ А/ •4 ^ ►
і і , , /*/>;,
1200 1300 1400
Рис. 4. Частотная зависимость активной Рис. 5. Частотная зависимость ГВЗ составляющей проводимости на-
излучателя при различных значениях груженного на воду излучателя ^ ‘ ‘ ^
разностной частоты и
ФЧХ излучателя (рис. 6), получены пересчетом первичных данных измерений по формуле
* * * — • 2
(р(т) = ^ ^ )2п = ^ ^ )2л£ -Ьт (Р1+1 - ^ )2п]. (6)
*=1 *=1 1=1 Ь ^ '
Как видно, уменьшение разностной частоты практически не сказывается на форме кривых, приводя лишь к расширению диапазона изменения ФЧХ. Это подтверждает известный вывод [8]
в широкополосный сигнал, использование ФЧХ по информативности и точности уступает частотным зависимостям ГВЗ и производной ГВЗ.
На рис. 7 точками показана экспериментальная ФЧХ, полученная при ^ = Ы2л= 40 кГц, и аналогичные теоретически рассчитанные зависимости при различных значениях добротности излучателя. Наилучшее согласие экспериментальной кривой наблюдается с теоретической ФЧХ при О = 10, что было отмечено еще на этапе анализа частотной зависимости производной ГВЗ.
Рис. 6. Экспериментальные ФЧХ при Рис. 7. Экспериментальная (^=40 кГц) и
различных значениях разностной расчетные ФЧХ при различных
частоты £ -
значениях добротности
Различие одноименных характеристик, полученных при разных значениях разностной частоты, свидетельствует о сильной зависимости погрешности метода от частоты £. Для оценки погрешности удобно воспользоваться безразмерным параметром Е, называемым относительной частотной расстройкой [2]. Величина частотной расстройки характеризует соотношение полосы частот, занимаемой трехчастотной накачкой (®д - а)н = 2£), и полосы пропускания излучателя:
(7)
Е = 2£/Аюр , v '
где АюР - полоса пропускания излучателя по уровню (- 3 дБ).
В нашем случае, полагая О = 10, разностным частотам Б = 40; 50; 60; 90; 120 кГц соответствуют значения частотной расстройки Е = 0,61; 0,76; 0,92; 1,37; 1,83.
[2] , -мальную относительную ошибку при измерении частотной зависимости ГВЗ можно ,
тах (Е)= 1 - -2ТЕаГСІ8
2Е
(8)
1 -Е
Для используемых в эксперименте разностных частот величина максималь-
ной ошибки составила соответственно 3 % тах = 10, 14,5, 19,2; 54; 73%. Уменьшив расстройку до Е= 0,1 (^ = 6,6 кГц), можно снизить ошибку до уровня 0,33 %. Максимальна погрешность метода при измерении производной ГВЗ составила =
= 8,9, 13,5, 19,2, 38, 60 %. Если понизить расстройку до значения Е= 0,1, то ошибка при измерении /ад(®) составит всего лишь 0,25 %. Такой же порядок имеет погреш-.
, , -димой точности измерений ФЧХ, частотных зависимостей ГВЗ и производной ГВЗ. БИБИЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Гаврилов А. М. Метод измерения фазочастотной характеристики акустических излучателей // Известия ТРТУ. Материалы Всероссийской научно-
технической конференции «Медицинские информационные системы МИС-2004».
. 2004.
2. . . -
стических излучателей с использованием трехчастотного сигнала // Известия ТРТУ: Материалы Всероссийской научно-технической конференции «Медицинские информационные системы МИС - 2004». Таганрог. - 2004.
3. . .
- // -центра высшей школы. Естественные науки. Ростов-на-Дону, 1990. № 3. - С. 70 -73.
4. . .
// : - « -ные акустические системы НЕЛАКС - 2003». Таганрог. 2003. № 6 (35). - С. 130 -136.
5. Гаврилов А.М., Медведев В.Ю., Батрин АЖ. Автоматизация лабораторных
//
. - . . 2002. - . 82 - 87.
6. . ., . ., . .
для измерений частотных характеристик пьезоэлементов и пьезопреобразователей // Сб. трудов XIII сессии Российского акустического общества. Т.2. Акустические измерения. Аэроакустика. Геоакустика. Ультразвук. Электроакустика. - М.: 2003. -С. 6 - 10.
7. : / . . . -
Л.: Судостроение, 1984. - 256 с.
8. . ., . . . - .: , 1983. - 320 с.
ОБ АКУСТИЧЕСКОЙ ОЦЕНКЕ И ОПРЕДЕЛЕНИИ ХАРАКТЕРИСТИК ДНА И ДОННЫХ ОТЛОЖЕНИЙ В.И. Кудрявцев
Сжатый анализ развития и современного состояния прогрессирующего в последние годы в ряде стран направления практического использования методов дистанционного акустического распознавания характеристик морского дна и других водоемов представлен с надеждой привлечения более широкого круга отечественных исследователей и разработчиков аппаратуры к работам в данной области. Нелинейная акустика и компьютерные технологии, несомненно, могут сыграть не последнюю роль как в совершенствовании методов, так и соответствующей технике. Получению более полного представления об указанном направлении использования гидроакустики может содействовать приведенная библиография последних исследований, экспериментальных работ и практических съемок по классификации характеристик дна в различных районах и условиях.
