CC BY
38
УДК 534.222.2
способ абсолютной градуировки акустических преобразователей
© 2012 г. В.Ю. Волощенко
Таганрогский технологический институт Южного федерального университета, пер. Некрасовский, 44, ГСП-17А, г. Таганрог, Ростовская область, 347928, physics@egf.tsure.ru
Taganrog Technological Institute of Southern Federal University, Nekrasovsky Lane, 44, GSP-17A, Taganrog, Rostov Region, 347928, physics@egf.tsure.ru
Рассмотрен абсолютный метод градуировки как излучающего, так и широкополосного приемного преобразователей, в котором для акустических измерений используется полигармонический ультразвуковой сигнал с известными характеристиками, формирующийся в водной среде за счет нелинейного эффекта самовоздействия при распространении интенсивной волны накачки с близким к гауссову поперечным амплитудным распределением.
Ключевые слова: градуировка акустических преобразователей, изучающая параметрическая антенна.
The paper presents the idea of an absolute method for transmitting and broadband receiving acoustic transducer's calibration, in which for acoustical measurements the polyharmonic signal's spectral components of intensive Gaussian amplitude distribution pump wave generated in water by means of it's nonlinear self-action, are used.
Keywords: acoustic transducer's calibration, transmitting parametric array.
Проведение акустических измерений, осуществляемое электроакустическими методами, требует разработки новых способов абсолютной градуировки, т.е. определения чувствительности излучателей и приемников ультразвука без измерения параметров ультразвуковых колебаний и волн (например, амплитуд звукового давления и колебательной скорости частиц среды, удельной акустической мощности), а только путем измерения электрических величин напряжения или тока при различных положениях используемых преобразователей [1]. Учет нелинейности упругих свойств водной среды позволил исследователям [2] разработать для гидролокационного диапазона частот перспективный комплекс измерительных параметрических излучателей и приемников ультразвука, используемых для градуировки приемников звуковых колебаний методом замещения или сличения. Для градуировки высокочастотных приемников ультразвука предлагается [3 - 6] использовать эффект самовоздействия, возникающий при распространении интенсивной волны накачки, т.е. нелинейную генерацию высших гармоник излученного сигнала конечной амплитуды, в результате чего в водной среде формируется широкополосное ультразвуковое излучение с известными характеристиками.
Рассмотрим несколько сообщений. В [3] предложен способ определения частотных и фазовых характеристик приемников ультразвука, заключающийся в следующем: подают на излучающий преобразователь с известной чувствительностью в режиме приема радиоимпульс с перестраиваемой в полосе пропускания частотой, излучают преобразователем в нелинейную водную среду акустический сигнал с частотой / =то/2л, волновой профиль которого искажается до пилообразного, причем располагают градуируемый
преобразователь на расстоянии, равном расстоянию разрыва I плоской волны с частотой а0 и амплитудой звукового давления р0 у поверхности излучателя, которое рассчитывают по формуле
1Р = Рос0/^0ро , (1)
где р, с0 - равновесные значения плотности и скорости звука в воде; е - коэффициент нелинейности среды распространения. Градуируемым преобразователем принимают акустический сигнал с пилообразным профилем волны, регистрируют выходной сигнал и измеряют его спектральный состав, сравнивают его со спектральным составом напряжения «идеальной пилы» на частоте а затем определяют частотную и фазовую характеристику градуируемого преобразователя в широком диапазоне частот. Данному способу присущи недостатки: для проведения измерений необходимо наличие преобразователя с известной чувствительностью в режиме излучения в широкой полосе частот, предварительно проградуированного каким-либо способом; при перестройке частоты радиоимпульса необходимо осуществлять одновременное изменение его амплитуды с тем, чтобы расстояние между излучающим и приемным преобразователями оставалось равным обеспечение условий измерений приводит к тому, что активные пьезокерамиче-ские элементы излучающего преобразователя работают в условиях повышенных механических и электрических нагрузок. В [4] описан метод калибровки широкополосных гидрофонов в ультразвуковых пучках конечной амплитуды. На излучающий преобразователь подают радиоимпульс с известной амплитудой и перестраиваемой частотой f, который излучается в нелинейную среду. Ультразвуковой сигнал при распространении в нелинейной среде испытывает иска-
жения волнового профиля, причем регистрация ультразвукового сигнала осуществляется в нескольких точках на его акустической оси, расположенных в
диапазоне (3-15) х/д, где 1д = а2ю/2с0 - расстояние
дифракции излучающего преобразователя; а - радиус излучателя. Градуируемый гидрофон обладает линейной частотной зависимостью чувствительности в широком диапазоне частот от / до 6/ и принимает в нескольких точках указанного диапазона полигармонический ультразвуковой сигнал, вырабатывая соответствующий электрический сигнал с пилообразными профилями волны, содержащими практически прямолинейные участки, которые соединены узкими участками ударных фронтов. Визуальная регистрация угла наклона фронта волнового профиля позволяет по известным соотношениям рассчитать чувствительность калибруемого преобразователя и величину звукового давления в точках приема. Данный способ также имеет недостатки: большой объем и сложность аналитических расчетов чувствительностей по давлению градуируемого приемного преобразователя; большая погрешность анализа осциллограмм при визуальном определении крутизны фронта регистрируемого сигнала; снижение точности измерений за счет дифракционных погрешностей, появляющихся при механических перемещениях градуируемого преобразователя; обеспечение измерительного режима требует излучения высокоинтенсивных волн накачки, что обусловливает работу пьезокерамики излучателя (на пьезодиск диаметром 30 мм с резонансной частотой 1 МГц подавалось до 320 В) в условиях повышенных механических и электрических нагрузок, т.е. снижает стабильность его параметров, надежность и долговечность.
Вышеперечисленных недостатков рассмотренных способов можно избежать, если для измерений применить излучающую параметрическую антенну, образованную акустическими пучками средней интенсивности, формирующую в нелинейной водной среде акустические сигналы с рассчитываемыми характеристиками в широком диапазоне частот [7], что позволит одновременно провести градуировку как приемника ультразвуковых колебаний, так и излучающего преобразователя накачки. Ниже рассмотрим способ абсолютный градуировки акустических преобразователей, в котором используется параметрическая антенна в режиме возбуждения одночастотным сигналом накачки, и один из вариантов измерительной установки, его реализующих (рисунок).
Генератор 3 вырабатывает синусоидальное напряжение с частотой /, поступающее на нормально закрытый первый ключ 2, открываемый периодически видеоимпульсами, вырабатывающимися в импульсном генераторе 1. Радиоимпульсы (71 поступают на измеритель амплитуды 4 и на преобразователь накачки 5, излучающий в нелинейную среду 6 акустический сигнал конечной амплитуды с частотой / и звуковым давлением, приведенному к 1 м,
Рпр (1м) = Ро ■ 1Д = Р ■2 ■ ехр(а-г), (2)
где а - коэффициент затухания излученного акустического сигнала; Р- амплитуда звукового давления сигнала, измеренная на акустической оси для дальности г; р0 - амплитуда звукового давления у поверхности из-
лучателя; 1Д = а 2ю!2с0 - расстояние дифракции излучающего преобразователя; а - радиус излучателя.
Структурная схема измерительной установки
Напомним, что чувствительность электроакустического преобразователя в режиме излучения - отношение звукового давления, создаваемого преобразователем на заданном расстоянии, к амплитуде напряжения, подаваемого на его вход, а чувствительность по давлению в режиме приема - отношение электрического напряжения на выходе приемника звукового давления к звуковому давлению, действующему на его поверхность [1]. В установке используется конструкция электроакустического преобразователя накачки с близким к гауссову поперечным амплитудным распределением, описанная в [8]. При распространении акустического сигнала конечной амплитуды с частотой / осевое распределение амплитуд звукового давления описывается соотношением [2]
Рп
0 ■ ехр{-«(/) г}, (3)
P = -
P(f)
где 2Н = г^д - нормированная продольная осевая координата акустического пучка; а(Л - коэффициент затухания акустического сигнала с частотой / = а] 2ж.
В водной среде, обладающей нелинейностью упругих свойств, будет происходить искажение его волнового профиля, т.е. за счет самовоздействия в спектре акустического сигнала появится вторая гармоническая компонента с частотой 2/, амплитуда звукового давления которой на акустической оси преобразователя накачки 5 описывается соотношением [7]
P(2f) (=
е-In-f ■ p0
Po cl
■ К x
(4)
0,251п2(1 + 2 2 ) + аг^Р21Я \---еХР{-«(2/)г} >
достигая максимума Р(2/)м = 8,674-10"15*(а ■ р0 ■ / )2 в точке с координатой гм(2/) = 1,425 ■ /д, где а(2/) -
коэффициент затухания акустического сигнала с частотой 2/. Акустические сигналы на расстоянии г0 = 4 ■ /д (2Я0 = г^/Ьд = 4), но меньшем, чем 1р,
принимаются градуируемым акустическим приемным преобразователем 7 с чувствительностью в режиме приема по давлению Мх постоянной в рабочем диапазоне изменения частоты сигнала накачки, т.е. в диапазоне одной октавы (от f до 2Д Многочастотный электрический сигнал, вырабатываемый приемным преобразователем 7, через второй ключ 8 поступает на вход анализатора спектра 9, причем для запуска второго нормально закрытого ключа 8 на его управляющий вход через элемент 10 со временем задержки т = г0 /с0 поступают сигналы с импульсного генератора 1. Анализатор спектра 9 обрабатывает принятый многочастотный сигнал и представляет информацию об амплитудах гармонических компонент с частотами /, 2/, причем проводящий градуировку исследователь изменяет уровень радиоимпульса Ш до тех пор, пока отношение амплитуд электрических сиг-
налов, соответствующих выделенным составляющим, не станет равным заранее заданному числу Ф < 0,2. Влияние нелинейных, дифракционных и диссипатив-ных эффектов в водной среде на волновые процессы кратных частот учтено в соотношениях (3), (4), амплитуды электрических сигналов известны, в результате исследователь может рассчитать чувствительность в режиме излучения по давлению (преобразователь 5) и чувствительности в режиме приема по давлению (преобразователь 7) для сигналов с частотами / 2f по соотношениям (8) - (10), которые получены следующим образом:
Ф =
— = Ш'Р{Д^/0,251п2(1 + Z2HÜ) + arctg2ZHÜ х
P
( f )
Ро со
: (exp[-(«(2f) - a(f ))z0])_1, откуда
Ра =
ФРо c0
ею- 1Д - ^0,25In2(1 + ZHa) + arctg2Z,
: (exp[-(«(2f ) - a(f ) )zо ])-1.
(5)
Подставив выражение (5) в (3), (4), получим
P =
P( f )
ФРо c0
ею - 1ДУ1 (1 + ZНо)[0,25 In2 (1 + ZHo) + arctg2Zho]
:(exp[-(«(2f ) - 2«f ))zо])-1,
(6)
P
Ф 2Ро c0
(2f )
еш • /^(1 + 12т)• [0,251п2(1 +12т) + ата%21т ] х (ехр[+«(/) )г о])-1. (7)
Так как напряжения ),и(2Л и характери-
стики водной среды е, р, с0 ,а(/) ,а(2/) известны, радиус излучателя а и частота сигнала f измеряются, = ¿^¡¡д = 4 , /д = аШ/2с0 , ш = 2л • /, то можно
рассчитать чувствительность X излучающего преобразователя по давлению для частоты
/ ^ X = /и1 и чувствительности градуируемого преобразователя в режиме приема по давлению для частотЛ М(/) = ии)/Р(/),М(2/) = ^7) : 0,02614 -Фр0 с4
X = ро/ U1 =
е- f2а2 -exp[-(«(2f) -«(f))ZO]-U1
"'(f H о J
M(f ) = U(f )/P(f ) е - f2а2 -157,36 - exp[-(a(2 л - 2« л )z0] - U(
(f )
ФРо co M(2f ) = U(2f )/P(2f ) = е- f2а2 -157,36-exp[+«m)z]-U,
(2f )
Ф 2Ро co4
(8)
(9)
(10)
Изменяя частоту радиоимпульса U1 в пределах одной октавы (от f до 2f), можно произвести абсолютную градуировку излучающего преобразователя накачки 5 в том же диапазоне частот, а приемного преобразователя 7 во вдвое большем диапазоне - от f до 4/
Способ отличается универсальностью, так как может быть реализован как в замкнутых (импульсный режим), так и в неограниченных измерительных объемах (непрерывный режим). Измерительная установка (рисунок) может быть собрана из стандартного набора проверенных приборов для проведения градуировки преобразователей, причем одновременно как излучающего преобразователя накачки, так и приемника звуковых колебаний. В качестве градуируемого приемного широкополосного приёмника может быть использован миниатюрный высокочастотный гидрофон для научных исследований, активный элемент которого изготовлен из пьезокерамической плёнки, например из [6] - толщиной 10 мкм с поперечным размером 1,1 мм, частота резонанса ~ 108 Гц.
Литература
1. Колесников А.Е. Акустические измерения. Л., 1983. 256 с.
2. Гидроакустическая энциклопедия / под ред. В.И. Тимошенко. 1-е изд. Таганрог, 1999. 788 с.
3. А.с. СССР № 119025. Способ определения частотных и фазовых характеристик приемников ультразвука / Рома-ненко Е.В. 1959. Бюл. 7.
4. Андреев В.Г., Карабутов А.А., Руденко О.В. Метод калибровки широкополосных гидрофонов в ультразвуковых пучках конечной амплитуды // Вестн. МГУ. Физ., астрон. 1984. Т. 25, № 4. С. 74 - 77.
5. A.c. СССР 1514230. Способ градуировки акустических преобразователей / Волощенко В.Ю., Максимов В.Н., Максимов Ю.В. 1999. Бюл. 36.
6. Касьянов Д.А., Курин В.В., Редкозубое В.В. Об одном методе абсолютной калибровки миниатюрных пьезоэлектрических приемников ультразвука // Тр. науч. конф. по радиофизике. ННГУ. 2004. С. 184 - 185.
7. Волощенко В.Ю., Тимошенко В.И. Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения (ч. 1). Таганрог, 2009. 294 с.
8. Du G., Breazeale M.A. Ultrasonic field of a Gaussian transducer // J. Acoust. Soc. Amer. 1985. Vol. 78, № 6. Р. 2083 -2086.
Поступила в редакцию
8 декабря 2011 г.
х
х
