CC BY
74
Секция: Ультразвуковые и акустические приборы в медико-биологической практике
УДК 620.179.16
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НЕЛИНЕЙНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН С КРАТНЫМИ ЧАСТОТАМИ
А.К. Батрин, А.М. Гаврилов
Таганрогский государственный радиотехнический университет 347922, Россия, г. Таганрог, пер. Шевченко, 2, каф. ЭГА и МТ Тел.: (86344) 37-17-95; E-mail: gavr_am@mail.ru
Экспериментальное исследование нелинейных волновых процессов сопряжено, как правило, с проведением большого объема измерений различных параметров акустических волн - пространственных распределений акустических полей (амплитуд, фаз), амплитудных, амплитудно-фазовых, амплитудно-частотных, фазо-частотных и других характеристик. При этом объемы измерительной информации и времени, затрачиваемого на ее получение, оказываются настолько значительными, что при использовании традиционных измерительных технологий встает вопрос о целесообразности проведения самих измерений. Поэтому автоматизация измерительных операций и компьютеризация последующей обработки полученных результатов являются не только актуальной, но злободневной задачей [1]. Как показывает практика, без решения этих задач сегодня невозможно получить тот необходимый объем экспериментальных данных, при котором достигается современный уровень исследований в нелинейной акустике, где определяющую роль на происходящие процессы одновременно оказывают амплитудные, частотные и фазовые соотношения в распространяющихся волнах.
До сегодняшнего дня в нашей стране не выработаны устоявшиеся подходы к автоматизации акустических измерений, отсутствуют нормативные акты и документы в этой области, нет отечественной промышленной аппаратуры для проведения таких измерений. Предпринимавшиеся ранее попытки автоматизации измерений в акустике немногочисленны [1, 2] и были направлены решение сравнительно узких задач - отбор пьезоэлементов по заданным значениям определенных параметров, измерение частотных зависимостей электрического импеданса или проводимости, измерение диаграмм направленности и некоторых других. Проводившиеся при этом измерения характеризуются малым количеством регистрируемых величин, как правило, это амплитуда сигнала, значительно реже частота, фаза, пространственные координаты и др.
В то же время внедрение в акустические измерения автоматизированных средств съема и регистрации информации, управления и определения положения излучающих и приемных антенн позволяет:
сократить временные затраты на операции поточечного считывания и записи информации;
повысить точность и повторяемость результатов эксперимента благодаря механизации и автоматическому управлению средствами позиционирования антенн;
отслеживать и корректировать грубые промахи и сбои в работе аппаратуры, исключить субъективный фактор и недостаток квалификации оператора;
обеспечить удобство записи, хранения, обработки, анализа и представления результатов эксперимента.
Используемые до настоящего времени самописцы уровня с бумажным носителем и автоматические измерители частотных характеристик с электроннолучевыми индикаторами практически исчерпали свои возможности как с точки зрения своих метрологических характеристик, условий технической эксплуатации и обслуживания, так и по возможности их модернизации или включению в состав компьютеризированных комплексов. Быстродействующие многоканальные аналогоцифровые преобразователи, позволяющие оцифровывать и записывать сигналы в цифровой форме в режиме реального времени, не всегда доступны по своим стоимостным характеристикам, требуют специального программного обеспечения и соответствующей периферии.
Перечисленные обстоятельства послужили основанием к разработке и изготовлению автоматизированного гидроакустического комплекса для проведения экспериментальных исследований в лабораторных условиях. В основе реализованного подхода лежит отказ от создания набора узкоспециализированных установок, каждая из которых была бы ориентирована на измерение ограниченного набора параметров и характеристик. Предполагалось, что, во-первых, конфигурация комплекса не должна быть жестко связана с решением каких-либо заранее оговоренных характеристик и будет видоизменяться по мере изменения решаемой измерительной задачи; во-вторых, в качестве первичных измерителей используются серийные отечественные измерительные приборы с цифровым выходом и
известными метрологическими характеристиками; в-третьих, с целью максимального сохранения достоверности, результаты измерений хранятся в первичном оцифрованном виде без какой-либо дополнительной обработки; в-четвертых, регистратором получаемых данных является персональный компьютер благодаря большой емкости его жестких дисков; в-пятых, управление работой комплекса осуществляется автоматически компьютером посредством несложных программ через разработанное устройство сопряжения; в-шестых, последующая обработка и оформление результатов производится с использованием общедоступных
математических и графических пакетов на компьютере. Помимо устройства сопряжения предполагалось изготовление специализированных приводов для координатных систем и нестандартного оборудования, а также формирователя сигналов под конкретную задачу.
Особенностью условий проведения лабораторных измерений в гидроакустических бассейнах является ограниченный объем рабочей среды. Это накладывает ограничения на диапазон частот используемых сигналов, длительностей и периодов следования импульсов. В то же время малые габариты бассейнов позволяют применять механические приводы для перемещения и ориентации в пространстве акустических излучателей и приемников (гидрофонов).
Представляемый измерительный комплекс является универсальным
инструментом для исследования широкого спектра прикладных задач нелинейной акустики, позволяя измерять:
пространственные характеристики антенн (продольные и поперечные
распределения параметров акустических полей);
амплитудные, амплитудно-фазовые и частотные характеристики первичных и вторичных волн;
амплитудно-частотные (АЧХ) и фазо-частотные (ФЧХ) характеристики излучателей и приемников звука;
частотные характеристики отражателей и др.
Для решения нескольких исследовательских задач создается формирователь с набором нужных типов зондирующих сигналов. В частности, комплекс
укомплектован формирователем радиоимпульсов с узкополосным многочастотным заполнением, амплитудно-фазовый спектр которого может изменяться в широких пределах. В настоящее время, в рамках задачи по исследованию закономерностей нелинейного взаимодействия акустических волн конечной амплитуды с кратными частотами разработан и используется формирователь радиоимпульсов, заполнение которых состоит из нескольких гармонических сигналов с произвольными амплитудно-фазовыми соотношениями, частоты которых кратны целым числам.
В состав автоматизированного измерительного комплекса, рис. 1, входят:
- излучающий тракт (формирователь зондирующих импульсов и усилитель мощности);
- приемный тракт (частотно-избирательные схемы, временные селекторы и первичные преобразователи);
- система сбора и обработки информации (ЭВМ и устройство сопряжения измерительной аппаратуры с ЭВМ);
- гидроакустический бассейн с координатными устройствами, оснащенными электромеханическими приводами;
- стандартная электроизмерительная аппаратура.
С целью упрощения формирователей сигналов предусмотрено
использование внешних генераторов гармонических сигналов. Например, для формирования двухчастотного сигнала (см. ниже) используется опорный генератор высокой частоты (ГВЧ); для формирования амплитудно-модулированного (АМ) и балансно-модулированного (БМ) сигнала были задействованы два генератора -высокой (ГВЧ) и низкой (ГНЧ) частот и т.д. Сигнал ГВЧ используется в тракте формирователя, где над ним производятся соответствующие операции -преобразование частоты, модуляция, фильтрация, суммирование, усиление, сдвиг фазы и др. Частотомеры, фазометр и осциллографы подключаются к специально организованным выходам формирователя для контроля и (или) регистрации параметров и формы сигнала. Усиление импульсов до требуемой амплитуды и согласование с излучателем выполняет в усилителе мощности (УМ). Преобразование электрического сигнала в акустический и излучение его в воду выполняет пьезоэлектрический излучатель (ПИ).
Приемный тракт установки включает в миниатюрный пьезоэлектрический приемник (ПП), набор пассивных фильтров - фильтров нижних (ФНЧ) или верхних (ФВЧ) частот, полосовых фильтров, селективный усилитель, схему временной селекции, формирователь следящего строба, аналоговый и цифровой коммутаторы сигналов, пиковый детектор. Схема формирования следящего строба обеспечивает временную селекцию сигнала при измерении пространственных характеристик акустического поля, т.е. в случае, когда время задержки принимаемого сигнала относительно излученного не постоянно и изменяется по мере перемещения звукоприемника (1111). Осциллографы используются в качестве индикаторов для контроля формы сигналов на выходе излучающего и приемного трактов установки.
Рис. 1.
Структурная схема автоматизированного измерительного комплекса
Частотомер, ГВЧ, АЦП (в этом качестве используется универсальный цифровой вольтметр), фазометр и осциллографы представляют собой серийные приборы заводского изготовления. Информация с цифровых выходов частотомеров, фазометра и АЦП в виде двоично-десятичного кода поступает на устройство сопряжения (УС). Устройство сопряжения обеспечивает согласование измерительной аппаратуры с ЭВМ. Его функции заключаются в следующем:
- организация 4-х разрядной мультиплексированной шины для выдачи двоично-десятичного кода на вход параллельного порта ЭВМ;
- вычисление и хранение данных о текущем местоположении координатных устройств и ориентации в пространстве излучателя и звукоприемника;
- управление серводвигателями координатных систем бассейна.
Одним из эксплуатационных достоинств измерительного комплекса является возможность перестройки алгоритма проводимых измерений благодаря использованию программ, управляющих его работой. Алгоритм измерения каждой характеристики заложен в ее индивидуальной программе, выполняемой ЭВМ. Процесс измерения одной кривой состоит из набора отдельных циклов, количество которых составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч в зависимости от требуемой разрешающей способности. Каждый цикл, обеспечивающий измерение одной точки на характеристике, включает в себя несколько последовательно выполняемых элементарных операций. Например, при измерении осевого распределения амплитуды какой-либо из волн в состав одного цикла входят операции - перемещение гидрофона на заданное расстояние, считывание координаты гидрофона, считывание показаний АЦП вольтметра, проверка полученных показаний на наличие ошибки, запись показаний в файл. Затем цикл повторяется.
Снимаемые в двоично-десятичном коде показания измерительных приборов после декодирования сохраняются в памяти ЭВМ в виде текстового файла отчета. Управляющая программа после каждого цикла выполняет операцию проверки достоверности считанных величин, что позволяет сразу исключить грубые промахи,
происходящие из-за сбоя в работе аппаратуры. Файл с результатами измерений в последующем обрабатывается в стандартных математических программах (MathCAD и др.), оформляется в графическом редакторе (Visio и др.) и передается в текстовый редактор (Word) для подготовки отчета и печати.
Гидроакустический бассейн имеет звукопоглощающее покрытие, оборудован координатными системами с электромеханическими приводами, дополненные элементами автоматики, что позволяет изменять продольную и поперечную координаты ПП, углы наклона излучателя, ориентацию в пространстве исследуемых объектов и др. Привод для изменения каждой из координат оснащен устройством формирования счетных импульсов текущей координаты. Излучатель установлен в специальном координатном устройстве, обеспечивающем возможность изменения направления его акустической оси в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Координатная система приемника допускает его перемещение вдоль любой из трех декартовых координат.
Конструктивно комплекс состоит из отдельных блоков и узлов. Внешний вид формирователя зондирующих импульсов (вверху) и аппаратура сбора и обработки измерительной информации (внизу) представлены на рис. 2.
Методика проводимых экспериментальных исследований основана на традиционных для гидроакустики методах измерения характеристик звукового поля
[1, 3, 4].
При решении задачи экспериментального исследования нелинейного взаимодействия акустических волн повышенные требования предъявляются к линейности излучающего тракта. Проверка линейности состояла в замере амплитуды сигнала комбинационной частоты на выходе излучающего тракта. При этом гидрофон помещался непосредственно у поверхности излучающего преобразователя, где амплитуда нелинейных компонент акустического происхождения еще равна нулю. Присутствие сигналов с частотами, отличными от частот накачки, свидетельствует о нелинейности излучающего тракта, что устраняется регулировкой режима работы выходных каскадов УМ и использованием схемных решений УМ с повышенной линейностью. Дополнительной мерой для устранения паразитного излучения нелинейных компонент сигнала накачки является использование полосовых фильтров на выходе УМ, обеспечивающих ослабление сигналов с комбинационными частотами.
Рис. 2.
Формирователь зондирующих импульсов (вверху), УС и измерительная аппаратура
(внизу)
При разработке гидроакустического комплекса за основу взята структура и организация измерений, отработанная в автоматизированном измерителе частотных характеристик пьезопреобразователей [4]. На этой установке проводятся измерения частотных зависимостей электрического импеданса излучателей в процессе их изготовления.
Для уменьшения погрешности измерений, связанной с ограниченными размерами звуковых пучков первичных и вторичных волн, использовались миниатюрные цилиндрические гидрофоны с размерами 1 х 2 мм2 и 3 х 3 мм2. Относительные измерения амплитуды звукового давления производились с высокой точностью, так как влияние систематической погрешности, обусловленной конечными размерами гидрофонов, при этом минимально и не превышает ± 1 дБ [6]. Систематическая погрешность при измерении пространственных характеристик акустических полей возникает при неточном совмещении акустической оси излучателя с траекторией перемещения гидрофона. Как правило, практически всегда ее удается уменьшить до 2-4% посредством тщательной юстировки координатных систем излучателя и приемника. Ошибка при оценке абсолютных величин звукового давления полностью определяется точностью градуировки гидрофона и излучателя, чувствительность которых в зависимости от используемого метода может колебаться в пределах 10 до 20%. Поскольку при исследовании нелинейных процессов доля абсолютных измерений в общем объеме экспериментальных результатов редко превышает 0,1 - 0,2%, причем они используются лишь для качественной оценки режима излучения и сравнения с приближенными теоретическими моделями, то столь большая погрешность абсолютных измерений не сказывается сколько-нибудь существенно на исследуемых физических закономерностях.
Благодаря автоматизации и сокращению времени измерений практически полностью исключена случайная погрешность, обусловленная неточностью считывания показаний приборов оператором, а также сведена к минимуму ошибка из-за временного дрейфа режимов работы измерительных приборов. Как показала неоднократная проверка, последняя из них не превышала 2-3% на протяжении всего периода измерений.
Инструментальная погрешность измерений складывается из погрешностей пикового детектора (ПД) и АЦП. Из анализа экспериментально полученной амплитудной характеристики ПД комплекса установлено, что при изменении амплитуд в диапазоне 20 дБ погрешность преобразования ПД не превышает 1%. Наибольшее расхождение показаний ПД от линейной характеристики наблюдается на низких частотах. С ростом частоты точность преобразования ПД повышается. Учет амплитудной характеристики позволяет линеаризовать показания ПД (с погрешностью не более 5%) в диапазоне амплитуд до 40 дБ.
Относительная погрешность измерения частоты в диапазоне используемых на установке частот составляет 0,01%. Погрешность измерения фазометра не превышала 0,2°. Погрешность цифрового вольтметра (АЦП) во всем диапазоне измеряемых напряжений не превышала 0,01%.
Случайные погрешности и грубые промахи исключаются еще на стадии измерений на основании предположения о непрерывности снимаемых распределений. Алгоритм выявления и исправления ошибки состоит в том, что если приращение измеряемой величины, равное разности между текущим и предыдущим значениями, превышает заранее задаваемое пороговое значение, выполняется серия дополнительных циклов считывания (до 20) при данном наборе условий. Время единичного считывания исчисляется десятками миллисекунд, поэтому серия дополнительных циклов считывания практически не сказывается на общем времени.
Время, затрачиваемое на измерение одной кривой, составляет от 10 минут до 1,5 - 2 часов. В среднем на 1 см расстояния, проходимого координатной системой, приходится 12 точек-замеров. График осевого распределения для проходимого
расстояния 1 м состоит, таким образом, примерно из 1300 точек. Изменяя скорость протяжки гидрофона, можно увеличивать или уменьшать число точек, однако, как показала практика, дальнейшее увеличение количества точек не приводит к более качественному измерению распределений.
Для исследования нелинейного взаимодействия двух волн конечной
амплитуды, отношение частот которых кратны целому числу (ю2/®1 = N), создан формирователь двухчастотного сигнала, обеспечивающий формирование одно- или двухчастотного сигналов с соотношением частот N = 2 и 3. Формирователь обеспечивает:
- регулировку частоты следования импульсов от 1 до 1120 Гц (5 диапазонов, плавно внутри каждого диапазона);
- изменение длительности импульсов от 6 мкс до 50 мс (5 диапазонов, плавно внутри каждого диапазона),
- независимую регулировку длительности одного из импульсов;
- формирование импульса с регулируемой длительностью и задержкой относительно зондирующего импульса для временной селекции сигнала в приемном тракте;
- импульсный и непрерывный режимы работы;
- регулировку начальной фазы сигнала с частотой Ю в диапазоне от 20° до
500°, точную подстройку фазы;
- возможность раздельного отключения каждого из сигналов (ю 1 и ю2);
- общую и раздельную регулировку амплитуды в каждом из частотных
каналов.
Рис. 3.
Структурная схема формирователя двухчастотных зондирующих импульсов
Структурная схема формирователя представлена на рис. 3. Гармонический сигнал (порядка 7 МГ ц) с ГВЧ поступает на компаратор формирователя, а с него - на цифровой делитель частоты. С выхода делителя фазосвязанные меандры о1 = о и о2 = 3о поступают на ФНЧ1 и ФНЧ2 с частотами среза порядка 2 и 4 МГц соответственно. С выходов ФНЧ снимаются гармонические сигналы этих же частот.
Точные значения частот сигналов о1 и о2 выбираются в зависимости от резонансных частот конкретного излучателя. Сигнал с частотой о1 проходит через фазовращатель и импульсный модулятор (ИМ1). Сигнал с частотой о2 поступает на импульсный модулятор (ИМ2) непосредственно с ФНЧ2. Управляет модуляторами импульсный генератор (ИГ), синхронизированный с сигналом о1 (привязка начала импульса к нулевой фазе сигнала).
Рис. 4.
Эпюры напряжений при А = и 2/ и 1 = 0,4
На входе выходного усилителя сигналы суммируются, после чего усиливаются. На импульсный модулятор ИМ1 управление поступает через регулируемый формирователь задержки 1, что позволяет менять длительность импульса сигнала с частотой о1. Импульсный генератор ИГ формирует также сигнал синхронизации для всего измерительного комплекса. Формирователь задержки 2 генерирует задержанный строб управления цифровым коммутатором в приемном тракте. На рис. 4 представлены эпюры напряжений на выходе формирователя при
соотношении амплитуд сигналов А = и2/ и1 = 0,4 и разных значениях фазового
инварианта ср0 = ср3 - 3ф\.
Некоторые результаты измерений, полученные с помощью описанного комплекса, приведены в работах [7 - 8].
ЛИТЕРАТУРА
1. Колесников А.Е. Ультразвуковые измерения. - М.: Издательство
стандартов, 1970. - 238 с.
2. Пьезокерамические преобразователи: Справочник/ В.В. Ганопольский, Б. А. Касаткин, Ф.Ф. Легуша и др. - Л., Судостроение, 1984. - 256 с.
3. Таранов Э. С., Тюрин А. М., Сташкевич А. П. Гидроакустические измерения в океанологии. - Л.: Гидрометеоиздат, 1972. - 328 с.
4. Боббер Р. Дж. Гидроакустические измерения. - М.: Мир, 1974. - 368 с.
5. Гаврилов А.М., Медведев В.Ю., Батрин А.К. Автоматизированный комплекс для измерений частотных характеристик пьезоэлементов и пьезопреобразователей. Труды XIII сессии Российского акустического общества, т. 2. - М.: ГЕОС, 2003, с. 610.
6. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. -Л.: Судостроение, 1981. 264 с.
7. Гаврилов А.М., Медведев В.Ю. Исследование амплитудно-фазовых характеристик нелинейного акустического излучателя с трехчастотной накачкой. Известия ТРТУ «Экология 2002 - море и человек». - Таганрог: Изд-во ТРТУ, №6, 2002, с. 53-57.
8. Гаврилов А.М., Медведев В.Ю., Батрин А.К. Зависимость амплитуднофазовой характеристики нелинейного акустического излучателя от амплитудных и фазовых соотношений в спектре накачки. Известия ТРТУ «Экология 2002 - море и человек». - Таганрог: Изд-во ТРТУ, №6, 2002, с. 57-61.
УДК 534.222
МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗО-ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
А.М. Гаврилов
Таганрогский государственный радиотехнический университет Россия, 347900, Таганрог, Шевченко, 2, кафедра ЭГА и МТ Тел.: (86344) 37-17-95; E-mail: gavr_am@mail.ru
Одно из перспективных направлений развития приборов неразрушающего контроля, медицинской диагностической и гидроакустической аппаратуры связано с использованием широкополосных акустических сигналов (модулированных по амплитуде, фазе, с линейной частотной модуляцией и т.д.), позволяющих значительно расширить объем получаемой информации, увеличить дальность действия, разрешающую способность, отношение сигнал/шум в приеме и т.д. Искажения амплитудного и фазового спектров излучаемого сигнала, вносимые резонансными преобразователями, зачастую делают невозможным решение поставленной задачи. Подобную ситуацию можно исключить, если осуществить коррекцию амплитудно-фазового спектра подаваемого на излучатель электрического сигнала или учесть эти искажения при обработке принятого сигнала. В обоих случаях необходимо знать амплитудно- и фазо-частотную характеристики (АЧХ и ФЧХ) излучающего тракта аппаратуры, неотъемлемой частью которого является излучающий электроакустический преобразователь.
Существующие подходы к измерению АЧХ и ФЧХ излучателей [1] предполагают использование градуированных звукоприемников, методов взаимности, самовзаимности и др. Однако на частотах выше 100 кГц их применение затруднено в связи с низкой точностью получаемых результатов и отсутствием приемников с известными АЧХ и ФЧХ чувствительности на этих частотах. Высокая трудоемкость известных методов препятствует их автоматизации, из-за чего при измерении характеристик зачастую ограничиваются получением 10 - 15 точек в рабочем диапазоне частот [1]. В случае использования сложных сигналов столь грубая оценка частотных характеристик не может считаться оправданной из-за сложного (многорезонансного) характера колебаний, происходящих в электроакустических преобразователях.
В связи с этим представляют интерес методы, которые благодаря простоте автоматизации измерений позволяют получать сколь угодно много точек в рабочей
