Разработка методов и средств повышения точности градуировки приемников звукового давления в водной среде в условиях свободного поля

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат диссертации

на соискание ученой степени доктора технических наук

Разработка методов и средств повышения точности градуировки приемников звукового давления в водной среде в условиях свободного поля

05.11.15 Метрология и метрологическое обеспечение

05.11.06 Акустические приборы и системы

Исаев Александр Евгеньевич

Менделеево - 2010



Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений» (ФГУП «ВНИИФТРИ»)

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук Кузин Александр Юрьевич

Доктор физико-математических наук Гордиенко Валерий Александрович

Доктор технических наук Салин Борис Михайлович

Ведущая организация - Федеральное государственное учреждение «32 Государственный научно-исследовательский испытательный институт Министерства Обороны Российской Федерации» (ФГУ «32 ГНИИИ Минобороны России»)

Защита состоится « » сентября 2010 г. в ____ часов на заседании диссертационного совета Д 308.005.01 в ФГУП «ВНИИФТРИ» 141570 п/о Менделеево, Солнечногорский район, Московская обл., тел. 8( 495) 744-81-12, 8 (495) 944-52-86

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ВНИИФТРИ»

Автореферат разослан « » ___________ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук Иванова Ю.Д.



ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена совершенствованию государственной системы обеспечения единства гидроакустических измерений.

Работа включает результаты исследований и разработки методов и средств повышения точности воспроизведения и передачи единицы звукового давления в водной среде в условиях свободного поля, полученные автором при выполнении в ФГУП «ВНИИФТРИ» работ, предусмотренных комплексной программой метрологического обеспечения предприятий и организаций судостроительной промышленности и Министерства обороны РФ, комплексной программой развития государственной системы метрологического обеспечения гидрофизических и гидроакустических измерений «Метрология-М», при создании эталонной базы ведомственной системы обеспечения единства измерений звукового давления в водной среде (Постановление Правительства РФ № 125-10 от 21.02.02 г.), выполнении ряда НИР и ОКР.

1.1. Актуальность исследования

Метрологическое обеспечение гидроакустических измерений является одним из основных направлений научно-технической деятельности ВНИИФТРИ как Государственного метрологического центра РФ.

Работы по созданию первых измерительных установок для градуировки гидрофонов начинались во ВНИИМ им. Д.И. Менделеева и были продолжены во ВНИИФТРИ под руководством И.Г. Русакова, а впоследствии А.Н. Голенкова. К концу 60-х годов были достигнуты значительные успехи в разработке оригинальных методов градуировки гидрофонов. В 1965_1968 гг. лаборатория гидроакустических измерений ВНИИФТРИ успешно участвовала в международных сличениях национальных эталонов, по результатам которых вошла в число лабораторий, лидирующих в этой области. Разработанные А.Н. Голенковым и Л.Е. Павловым методы градуировки гидрофонов в камере малого объема были стандартизованы МЭК и принесли ВНИИФТРИ международное признание.

Разработка эффективных методов и средств воспроизведения звукового давления и градуировки гидрофонов позволили создать первые в России эталоны (ГЭТ 55-74, ГЭТ 103-76, ВЭТ 55-1-80 и ВЭТ 55-1-84), образцовые средства измерений (СИ) и оснастить ими ведомственные метрологические службы. Была сформирована государственная система и завершен первый этап работ по обеспечению единства гидроакустических измерений в стране. Единство измерений регламентировалось ГОСТ 8.233_77, МИ 1620_87, локальной поверочной схемой НПО «ВНИИМ», которые определяли порядок передачи единицы звукового давления в водной среде 45 исходным и образцовым установкам, а также рабочим СИ в диапазоне частот от 0,01 Гц до 200 кГц.

Одним из стимулов динамичного развития гидроакустических измерений являются задачи обеспечения безопасности корабля. Современные требования к подводной шумности находятся на пределе технических возможностей производителя, что при больших затратах на создание корабля требует высокой достоверности при оценке соответствия параметров его шумоизлучения норме, устанавливаемой при испытаниях. Высокая точность измерения уровней подводного шумоизлучения (УПШ) позволяет приблизить значение контрольного допуска к заданной норме и снизить риски производителя и потребителя. Неуклонное снижение уровней подводного шумоизлучения породило проблему измерений при соотношении сигнал/помеха меньше единицы и поставило перед метрологами принципиально новые и чрезвычайно сложные задачи по созданию нового класса измерительных систем, методов когерентной пространственно-временной обработки, обеспечивающих высокую помехозащищенность при получении детального акустического «портрета» объекта и среды. В таких условиях метрологическое обеспечение гидроакустических измерений стало ключевой задачей в проблеме достоверной оценки уровня паритета отечественных и мировых достижений. Большой вклад в развитие методов измерения характеристик акустического поля корабля внесли ученые ВНИИФТРИ: Маслов В.К., Бухштабер В.М., Трохан А.М., Теверовский В.И., Цыганков С.Г., Некрасов В.Н., Торопов В.Н. и другие.

Об уровне развития и большом внимании, уделяемом гидроакустическим измерениям за рубежом, свидетельствует тот факт, что за последние 30 лет точность национальных эталонов увеличилась в 5-7 раз. Расхождения участников, показавших лучшие результаты на международных сличениях в 1965-1968 гг., достигали 3 дБ. Опорные значения на ключевых сличениях 2000-2003 гг. фактически определили участники, заявившие расширенные неопределенности результатов измерений от 0,3 до 0,4 дБ.

Уже к концу 80-х годов созданные эталоны и поверочные схемы не смогли в полной мере соответствовать выдвигаемым практикой требованиям к точности рабочих СИ. Ужесточение показателей достоверности измерений, как в лабораторных, так и в натурных условиях, усложнило задачи метрологического обеспечения, привело к необходимости разработки и создания нового Государственного эталона ГЭТ 55-91, гидрофонов -эталонов 1-го разряда с улучшенными характеристиками, автоматизированных рабочих эталонов для градуировки гидрофонов, новой поверочной схемы МИ 1620-92 с элементами децентрализации.

Изменения законодательства в области метрологии, принятие законов «Об обеспечении единства измерений» и «О техническом регулировании», Постановление Правительства № 100 1994 г. и Постановление Госстандарта РФ № 10 1997 г. потребовали существенной модернизации и развития всей системы обеспечения единства гидроакустических измерений в России. Для решения поставленных задач была разработана долговременная комплексная программа развития государственной системы метрологического обеспечения гидрофизических и гидроакустических измерений, объединившая 45 научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, направленных на обеспечение нужд потребителей с учетом перспективы. Достижения в этой области в значительной мере связаны с деятельностью ученых-метрологов ВНИИФТРИ: Сильвестрова С.В., Енякова А.М., Платонова В.А., Черникова В.З., Некрича С.Ф., которым автор признателен за многолетнее и плодотворное сотрудничество.

Необходимость снижения погрешности рабочих СИ заставила повысить точность государственных первичного и вторичного эталонов в 2_3 раза, значительно расширить частотный диапазон градуировки по полю в область низких частот (с 3,15 кГц до 250 Гц), создать рабочие эталоны 2-го разряда для градуировки измерительных гидрофонов с погрешностью 0,6_1 дБ, разработать методы и создать специализированные эталоны для градуировки гидроакустических модулей (ГМ), применяемых для измерения УПШ в морских условиях.

С технической стороны проблема повышения точности градуировки гидрофонов по полю усложнена большим числом факторов, влияющих на погрешность измерений: широкий частотный и динамический диапазоны измеряемой величины, соизмеримость уровней полезного сигнала и случайной помехи, перекрестное влияние излучающего и приемно-измерительного трактов, искажения сигнала переходными процессами, искажения звукового поля рассеянием, неидеальность характеристик преобразователей, нестабильность среды распространения акустического сигнала, непредсказуемость параметров неконтролируемых факторов, таких, как вибрации, шумы, электромагнитные наводки, а также большое число других разнородных факторов, влияние которых исключить либо минимизировать весьма сложно.

Научная сторона проблемы обусловлена тем, что возможности повышения точности процедур градуировки, изложенных в стандарте МЭК 565 1974 г., на сегодня оказались практически исчерпанными. Метод взаимности для градуировки гидрофонов, разработанный Маклеаном и Куком в 1940-41 гг., всесторонне и тщательно исследован. Совершенствование техники измерений привело к тому, что основным фактором, определяющим точность эталонов (градуировки гидрофона) стали искажения поля, обусловленные рассеянием звуковой волны, ослабить которое в достаточной мере не удавалось. Известные электроакустические и электромеханические модели не учитывают влияние рассеяния на элементах конструкции реального гидрофона и систем его крепления. Представление излучателя и приемника в стандартных процедурах градуировки как точечных (координатами акустических центров излучения и приема) вынуждает учитывать рассеяние как источник погрешности, но не позволяет исключить его влияние на результат градуировки. Таким образом, рассеяние звуковой волны и несовершенство стандартных измерительных процедур относятся к числу основных факторов, препятствующих повышению точности градуировки гидроакустических приемников по полю. Принятый в 2006 г. стандарт МЭК 60565 не содержит существенных новшеств, касающихся измерений в свободном поле. Это является наглядным свидетельством существования проблемы, обусловленной отсутствием новых идей и подходов, которые позволяли бы существенно повысить точность градуировки гидрофона по полю, и актуальности исследований в этом направлении.

Повышение точности и поддержание соответствия характеристик государственного первичного эталона уровню лучших мировых достижений приобрели особую значимость с подписанием в 1999 г. метрологическими институтами Госстандарта (Ростехрегулирования) Соглашения о взаимном признании национальных эталонов и сертификатов калибровок и измерений, выдаваемых национальными метрологическими институтами. Необходимость постоянного подтверждения на международном уровне измерительных и калибровочных возможностей в области гидроакустических измерений явилась дополнительным стимулом повышения точности не только воспроизведения звукового давления в водной среде, но и передачи единицы рабочим СИ.

Следует считать, что улучшение метрологических характеристик действующего государственного первичного эталона, создание первичного эталона нового поколения, разработка современных методов и высокоточных средств для воспроизведения и передачи единицы звукового давления рабочим СИ, совершенствование звеньев поверочной схемы являются весьма актуальными задачами, составляют научную и техническую основу развития государственной системы обеспечения единства гидроакустических измерений, непосредственно связаны с темпами научно-технического прогресса и требуют постоянных активных усилий.

1.2. Цель и задачи исследования

Целью работы является совершенствование системы обеспечения единства и достоверности гидроакустических измерений, расширение возможностей и повышение точности градуировки гидроакустических измерительных приемников на частотах от сотен Гц до 1 МГц, включая:

- повышение точности градуировки гидроакустических измерительных приемников в условиях свободного поля;

- расширение частотного диапазона градуировки по полю в область низких частот;

- обеспечение возможности градуировки в лабораторном бассейне гидрофонов совместно с носителем, применяемым в условиях морской акватории.

Поставленная цель потребовала решения ряда исследовательских и научно-технических задач:

- выявление доминирующих источников погрешности при градуировке приемников звукового давления в водной среде по полю;

- разработка методов определения параметров источников рассеяния на преобразователях и подводных конструкциях эталона;

- разработка алгоритма оценивания передаточного импеданса излучателя и приемника в невозмущенном поле сферической волны по результатам измерений в поле, искаженном рассеянной волной;

- создание модифицированной процедуры градуировки гидрофона по полю методом взаимности, исключающей влияние рассеяния на погрешность градуировки;

- реализация в эталонных установках техники когерентного накопления, излучения и приема сигналов и их квадратурных дополнений;

- разработка измерительной процедуры для градуировки гидрофона по полю в незаглушенном бассейне при использовании непрерывного излучения;

- введение понятия чувствительности в полосе частот и формулировка на основе этого понятия определения чувствительности приемника звукового давления, применяемого для измерений уровней подводного шума;

- обоснование возможности и разработка метода градуировки в полосах частот гидроакустического измерительного модуля, область ближнего поля которого превышает размеры рабочей зоны лабораторного бассейна;

- создание эталонных измерительных установок, реализующих разработанные автором методы, их метрологическое исследование и применение в составе эталонов всех уровней (от государственного первичного до рабочего 2-го разряда).

1.3. Основные научные результаты работы

1) Разработана новая методика градуировки гидрофонов по полю, основанная на представлении излучателя и приемника в виде систем, состоящих из акустического центра излучения (приема) и эквивалентных локализованных источников рассеяния, а также на разработанном методе определения параметров источников с использованием согласованной пространственной фильтрации зависимости передаточного импеданса от расстояния между излучателем и приемником.

2) Предложен способ расширения частотного диапазона градуировки гидрофона по полю в бассейне с минимальным размером 6 м в область низких частот с 3,15 кГц до 0,5 кГц, заключающийся в уменьшении крутизны наклона частотной характеристики излучения в сочетании с использованием широкополосного приема и когерентного накопления тонально-импульсного сигнала и его квадратурного дополнения.

3) Теоретически обосновано и экспериментально подтверждено, что использование предложенного и нетрадиционного для гидроакустики понятия чувствительности в полосе частот применительно к гидрофону для измерений уровней шумоизлучения позволяет:

- уменьшить погрешность гидроакустического спектрометра за счет учета неравномерности частотной характеристики гидрофона в частотной полосе фильтра,

- обеспечить возможность градуировки в лабораторном бассейне приемника, область ближнего поля которого превышает по протяженности размеры рабочей зоны бассейна,

- определять чувствительность в полосе частот расчетным путем по подробной частотной характеристике приемника вне зависимости от вида используемого сигнала и способа получения частотной характеристики.

4) Предложен метод скользящего комплексного взвешенного усреднения частотной зависимости системы излучатель - отражающий бассейн - приемник, позволяющий получать при непрерывном излучении полосового сигнала детальные частотные характеристики излучателя и приемника в свободном поле с точностью, не уступающей условиям тонально-импульсного излучения. Применение метода позволяет расширить диапазон градуировки гидрофонов по полю в бассейне с минимальным размером 6 м в область низких частот до 250 Гц.

5) Показано, что при градуировке приемника звукового давления по полю минимальное расстояние между излучателем и приемником определяется протяженностью формируемой приемником области вторичного излучения. На основании исследованной автором зависимости эффективного размера приемника в полосах частот от ширины полосы частот показана возможность существенно сократить расстояние между излучателем и приемником при градуировке в 1/n_октавных полосах частот. Это позволило автору разработать метод градуировки и впервые в отечественной практике градуировать в лабораторном бассейне в стандартных 1/3_октавных полосах частот крупногабаритные гидроакустические модули (ГМ).

6) Исследованная автором зависимость характеристики направленности ГМ в полосах частот от удаленности источника вторичного излучения относительно точки приема позволила разработать метод определения эффективного размера ГМ в 1/n-октавных полосах частот, не применяя сложных измерительных процедур акустической голографии для реконструкции пространственной структуры формируемой ГМ области вторичного излучения.

7) Проведенные метрологические исследования и участие в международных ключевых сличениях CCAUV.W-K1 позволили автору обосновать и подтвердить бюджет составляющих неопределенности калибровки гидрофонов в условиях свободного поля с наименьшей среди участников ключевых сличений стандартной расширенной неопределенностью.

Таким образом, основные научные результаты работы являются научным обоснованием разработанных научно-технических решений, внедрение которых вносит значительный вклад в совершенствование государственной системы обеспечения единства гидроакустических измерений и, прежде всего, эталонной базы для воспроизведения и передачи единицы звукового давления рабочим средствам измерения на более высоком уровне точности, ориентированном на современные и перспективные требования науки и практики, в том числе военной гидроакустики.

1.4. Теоретическая и методологическая основа исследований

Теоретическую и методологическую основу исследований составили научные труды отечественных и зарубежных авторов в области метрологии, гидроакустических измерений, измерений в воздушной акустике, теории радиотехнических систем, радиолокации и голографии, методы обработки измерительных данных, а также проведенные соискателем экспериментальные и теоретические исследования, математическое и физическое моделирование, макетирование основных узлов разрабатываемых эталонных СИ, метрологические исследования разрабатываемых методов и СИ для выявления источников их погрешностей, составление и обоснование бюджета неопределенностей, анализ результатов международных и ключевых сличений.

Экспериментальные и теоретические исследования применялись для выявления доминирующих составляющих погрешности измерительных процедур метода взаимности и градуировки рабочих СИ, а также оценки эффективности разработанных в диссертации методов их уменьшения и исключения. излучатель волна гидрофон импеданс

Следующие процедуры (методики), разработанные в ходе исследований, позволили уменьшить погрешности и расширить частотный диапазон измерений в свободном поле в область низких частот:

- применение подвижных прецизионных автоматизированных систем позиционирования преобразователей,

- применение когерентного накопления в сочетании с широкополосным приемом,

- уменьшение крутизны наклона частотной характеристики излучения на низких частотах,

- поочередное излучение и прием сигнала и его квадратурного дополнения,

- использование скользящего комплексного взвешенного усреднения частотной зависимости системы излучатель - отражающий бассейн - приемник, полученной при непрерывном излучении полосовых сигналов.

Задачи реконструкции пространственного распределения источников вторичного излучения решались методом замещения рассеивающей неоднородности конечным числом локализованных эквивалентных источников с использованием математической процедуры согласованной пространственной фильтрации. При разработке модифицированной процедуры градуировки гидрофона по полю методом взаимности применены методы акустической голографии и математический аппарат теории оценивания.

Для оценивания времени установления выходного напряжения приемника и нижней частоты градуировки гидрофона по полю в незаглушенном бассейне использован комплексный кепстральный анализ.

При разработке метода градуировки приемников звукового давления в полосах частот применена теория случайных процессов. Теоретические методы включали также анализ погрешностей, обработку и интерпретацию экспериментальных данных, математическое моделирование на ПК численных экспериментов.

1.5. Научная новизна полученных результатов

К началу настоящей работы состояние эталонной базы в области гидроакустических измерений перестало соответствовать требуемой точности измерения параметров гидроакустического поля корабля, что снижало достоверность оценки одной из основных характеристик, определяющих скрытность действий корабля, защиту от поражения минно-торпедным оружием, а также эффективность его собственных систем гидроакустического обнаружения целей.

Научная новизна результатов диссертационной работы состоит в том, что

1) Впервые разработан и реализован метод определения параметров рассеяния звуковой волны в точку приема корпусами преобразователей и подводными конструкциями эталонной установки, основанный на использовании экспериментальной зависимости передаточного импеданса излучателя и приемника от частоты или расстояния между излучателем и приемником.

2) Впервые разработан способ оценивания передаточного импеданса излучателя и приемника в свободном поле сферической звуковой волны по результатам измерений передаточного импеданса в присутствии рассеянной волны.

3) Разработана новая методика градуировки гидрофонов по полю методом взаимности (модифицированная процедура метода взаимности), которая позволяет исключать влияние интерференционных искажений звукового поля на погрешность градуировки. Методика аппаратно и программно реализована во вторичном эталоне, что значительно повысило точность градуировки гидрофонов.

4) Разработан и реализован новый метод оценивания частотной характеристики пары излучатель_приемник в свободном поле с использованием скользящего комплексного взвешенного усреднения частотной зависимости пары в поле, искаженном отражениями. На основе метода разработан и реализован способ градуировки гидрофонов по полю при непрерывном излучении полосового сигнала в отражающем бассейне.

5) Впервые предложено определять чувствительность приемника звукового давления в полосе частот, что позволило исключить несоответствие величин в уравнении измерений гидроакустическим спектрометром, более корректно учесть неравномерность частотной характеристики приемника и повысить за счет этого точность СИ уровней подводного шума.

6) На основе предложенного понятия границы пространственной области коррелированных в полосе частот источников рассеяния впервые разработан и реализован метод градуировки крупногабаритных гидроакустических измерительных модулей (ГМ), область ближнего поля которых превышает по протяженности размеры рабочей зоны бассейна.

7) Впервые разработан метод экспериментального определения эффективного размера ГМ в заданных полосах частот, что необходимо для оценивания минимального расстояния между излучателем и модулем при градуировке модуля в бассейне.

8) Предложен новый подход к оцениванию времени установления измерительного сигнала при градуировке гидрофона по полю с использованием тонально-импульсного излучения. На его основе разработаны способы расширения частотного диапазона градуировки в отражающем бассейне в область низких частот за счет уменьшения крутизны наклона частотной характеристики излучения.

9) Разработанные автором методы уменьшения погрешностей, проведенные метрологические исследования, а также созданные на их основе эталонные установки позволили принять участие в первых международных ключевых сличениях калибровок гидрофонов по полю в диапазоне частот от 1 до 500 кГц CCAUV.W K1, обосновать и подтвердить бюджет составляющих неопределенности измерений с наименьшей среди участников сличений стандартной расширенной неопределенностью.

1.6. Практическая значимость и реализация результатов работы

Практическая реализация результатов диссертационной работы в в/ч 78302, в/ч 90460, в/ч 51389, в/ч 90720, в/ч 90720-3 позволила повысить эффективность решения оборонных задач.

Результаты диссертационной работы использованы:

- в Государственном специальном первичном эталоне ГЭТ 55-91;

- при участии в первых международных ключевых сличениях CCAUV.W-K1;

- при разработке эталонных установок Государственного первичного эталона ГЭТ 55_2008;

- в исходном ведомственном эталоне (утвержден актом Федерального Агентства по Техническому Регулированию и Метрологии от 10.11.2005);

- в рабочих эталонах 2-го разряда и в конструкции гидрофонов - рабочих эталонов 1_го разряда (КРЭ) государственной и ведомственной поверочных схем;

- в специализированных рабочих эталонах МБ1, МБ2 для исследования метрологических характеристик и градуировки приемников звукового давления, применяемых в СИ уровней подводного шума.

Рабочие эталоны внесены в государственный реестр СИ, что удостоверяется сертификатами RU.E.36.018.B: № 31369, № 31368, № 16487, № 22289, № 20421, № 17681, № 9925; RU.E.28.018.B № 12506 и приняты в эксплуатацию.

В перечисленных эталонных установках реализованы следующие разработки автора:

- метод определения чувствительности в полосах частот по результатам измерения детальной частотной характеристики приемника звукового давления;

- метод градуировки приемников звукового давления по полю при непрерывном излучении полосового сигнала в незаглушенном бассейне;

- методы определения параметров источников рассеяния и вторичного излучения;

- метод определения эффективного размера ГМ при градуировке в дробь-октавных полосах частот;

- способы уменьшения крутизны наклона частотной характеристики системы излучатель-приемник (коррекция характеристики излучения, предыскажение генерируемого сигнала, редактирование частотной зависимости системы излучатель - незаглушенный бассейн - приемник);

- предложения, обеспечивающие малое рассеяние падающей звуковой волны в точку приема подводными конструкциями и эталонными преобразователями;

- широкополосный прием и накопление когерентных квадратурно-дополненных сигналов.

Полученные автором результаты обеспечили уменьшение погрешности градуировки гидрофонов и создание рабочих эталонов для новой государственной поверочной схемы (взамен МИ 1620_92), предусматривающей фактически полное обновление эталонной базы в области гидроакустических измерений на новом уровне точности в расширенном диапазоне частот. Заявленные ВНИИФТРИ калибровочные возможности внесены в базу международных CMC-данных (три строки), представленных на сайте Международного бюро мер и весов (МБМВ).

Практическая реализация результатов диссертационной работы в Метрологической службе Военно-морского флота, ОАО «Санкт-Петербургское Морское бюро машиностроения «Малахит», ФГУ «32 ГНИИИ Минобороны России», ФГУП «ВНИИФТРИ» подтверждена актами внедрения.

1.7. Апробация результатов исследований

Достоверность результатов исследований подтверждена как теоретическими, так и многочисленными экспериментальными исследованиями, метрологическими исследованиями разработанных методов и СИ, результатами испытаний для целей утверждения типа СИ созданных под руководством и при непосредственном участии автора эталонных установок, практикой применения эталонов и разработанных методов измерений в повседневной метрологической деятельности. Убедительным подтверждением достоверности выводов диссертации являются результаты первых международных (с участием семи стран) ключевых сличений, а также результаты международных сличений 473/RU/09.

Материалы, включенные в диссертационную работу, докладывались на всесоюзных, всероссийских и международных конференциях: VI всесоюзная конференция «Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации», Москва_1987; всесоюзные (всероссийские) НТК «Проблемы метрологии гидрофизических измерений», Москва_1990,_1992,_2001,_2006; VI сессия российского акустического общества «Акустика на пороге ХХI века», Москва_1997; XXV конгресс акустического общества Италии, Перуджа_1997; IV европейская конференция по подводной акустике, Рим_1998; II международный симпозиум по гидроакустике, Польша, Гданьск_Юрата_1999; международная конференция акустического общества Великобритании «Градуировка и измерения в подводной акустике», Лондон-2003; V - VII всероссийские НТК «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в РФ», Мытищи-2004,_2006;_2008; V международная конференция акустического общества Индии «ADMET_2005», Дели-2005; II международная конференция «Гидроакустические измерения, технологии и применения», Греция, Ираклион_2007; V заседание технического комитета КООМЕТ ТК 1.2 «Акустика. Ультразвук. Вибрация», Санкт-Петербург-2008; европейская конференция по подводной акустике, Париж-2008; НТК «Системы 2008. Метрология. Стандартизация. Сертификация», Львов_2008.

Модифицированная процедура градуировки методом взаимности прошла экспертизу в Национальной физической лаборатории Великобритании и одобрена при подведении итогов ключевых сличений на V сессии консультативного комитета по акустике, ультразвуку и вибрации (CCAUV) Международного комитета по мерам и весам (МКМВ).

Метод градуировки гидрофона по полю при непрерывном излучении в отражающем бассейне представлен и с большим интересом принят на VI сессии CCAUV МКМВ, метод применен для низкочастотной калибровки гидрофонов по полю на международных сличениях 473/RU/09, техническое решение защищено Патентом РФ № 2390968.

Предложение стандартизовать в качестве опорных условий температуру воды и глубину погружения гидрофона одобрено рабочей группой региональных метрологических организаций МКМВ и будет опробовано на предстоящих ключевых сличениях.

Созданная под руководством и при непосредственном участии автора автоматизированная измерительная установка для градуировки гидрофонов по полю (установка свободного поля) экспонировалась на ВДНХ СССР, награждена золотой и двумя бронзовыми медалями выставки, и послужила прототипом установок свободного поля Государственного эталона ГЭТ 55-91.

1.8. Положения, выносимые на защиту

1) Модифицированная процедура градуировки гидрофонов по полю методом взаимности позволяет выделять влияние рассеяния на результат градуировки гидрофона и получать как чувствительность активного элемента гидрофона, так и чувствительность гидрофона с учетом рассеяния на его конструкции.

2) Метод определения параметров источников рассеяния на преобразователях и подводных конструкциях эталонной установки по зависимости передаточного импеданса пары излучатель-приемник от расстояния между излучателем и приемником и алгоритм оценивания передаточного импеданса в свободном поле позволили уменьшить до малозначимых величин погрешность, обусловленную рассеянием падающей звуковой волны.

3) Использование скользящего комплексного взвешенного усреднения частотной зависимости пары излучатель-приемник в реверберационном поле незаглушенного бассейна обеспечило существенное расширение возможностей калибровок гидрофонов по сравнению с традиционным методом временной селекции прямого сигнала излучателя.

4) Использование предложенного автором понятия чувствительности гидрофона в полосе частот позволило разработать корректные методы градуировки гидрофонов, применяемых для измерения уровней подводного шумоизлучения корабля.

5) Способы оценивания эффективного размера приемника в полосах частот обеспечили возможность градуировки крупногабаритных ГМ в гидроакустическом бассейне относительно малых размеров.

6) Совокупность предложенных технических решений, методов измерений и метрологических исследований обеспечила уменьшение погрешности рабочих эталонов для градуировки гидрофонов в 2 раза, градуировку в измерительном бассейне крупногабаритных ГМ с погрешностью ±1,5 дБ, расширение частотного диапазона градуировки гидрофонов по полю в область низких частот с 3,15 кГц до 250 Гц.

7) Выполненные метрологические исследования эталонных установок, выявление и минимизация источников неопределенностей измерений позволили при участии в первых международных ключевых сличениях калибровок гидрофонов по полю CCAUV.W-K1 2000-2003 гг. обосновать и подтвердить бюджет неопределенностей калибровки с минимальной среди участников сличений стандартной расширенной неопределенностью от 0,19 до 0,3 дБ, гарантировали взаимное признание возможностей в области калибровок гидрофонов по полю.

1.9 Личное участие автора в работах, включенных в диссертацию

Исследования, направленные на повышение точности и совершенствование эталонной базы в области гидроакустических измерений, были начаты автором в середине 80-х годов, когда он принял участие в создании Государственного специального первичного эталона ГЭТ 55_91 и первых автоматизированных установок для градуировки гидрофонов. Впоследствии автор возглавил лабораторию гидроакустических эталонов и методов передачи единиц гидроакустических величин ФГУП «ВНИИФТРИ». В качестве исполнителя, научного руководителя и главного конструктора выполнил ряд научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, в том числе: ОКР «Арагва», НИР «Метрология_13», НИР «Метрология_УМО_2000», НИР «Метрология-ВМФ», ОКР «Брокер-Тополь», НИР «БРИЗ». При выполнении этих работ автором были проведены метрологические исследования методов и установок для градуировки гидрофонов по полю, выявлены доминирующие источники погрешности, исследованы и внедрены рассмотренные в диссертации методы градуировки приемников звукового давления по полю и технические решения, в совокупности составляющие современную методологию построения эталонной установки свободного поля, на основе которой созданы более десяти специальных и рабочих эталонов, проведены исследования их метрологических характеристик и испытания для целей утверждения типа.

Результаты диссертационных исследований опубликованы в монографии и более чем 60 публикациях (как самостоятельных, так и в соавторстве) в научно-технических журналах, трудах международных, всероссийских и отраслевых конференций. Основные публикации (36), в том числе 18 в рекомендованных ВАК изданиях, приведены в разделе 4 автореферата. В совместных публикациях личный вклад автора по теме диссертационной работы является определяющим.

1.10. О соотношении докторской и кандидатской диссертаций

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.11.16 (Информационно-измерительные системы) на тему «Разработка и исследование методов аттестации измерительных преобразователей ИИС с использованием идентификации в классе инерционных нелинейных систем» была выполнена во ВНИИФТРИ и защищена в 1984 г. в Ленинградском политехническом институте им. В.В. Куйбышева.

Докторская диссертация посвящена новому для автора направлению исследований, тематически не связанному с кандидатской диссертацией. Все цитируемые в докторской диссертации результаты и публикации автора осуществлены после защиты кандидатской диссертации.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, выводов с основными результатами работы, списка цитируемой литературы из 169 наименований, приложения; содержит 246 страниц основного текста, включая 72 рисунка, 4 таблицы и 14 основных формул.

Глава 1 посвящена анализу научных и технических проблем повышения точности воспроизведения и передачи единицы звукового давления гидроакустическим СИ в условиях свободного поля.

В соответствии со стандартом МЭК 60565 метод взаимности является единственным общепризнанным абсолютным методом градуировки гидрофонов по полю в диапазоне частот ниже 500 кГц. Альтернативные подходы к градуировке гидрофонов связаны с воздействием на звуковое поле полями другой природы, в частности, создаваемыми лучом лазера. Оптико-интерференционные методы используют для визуализации структуры поля в измерительных камерах переменного давления. При градуировке гидрофонов по полю применяют технику, основанную на измерении доплеровского смещения отраженного луча лазера. Давление в месте расположения гидрофона измеряют как с использованием акустооптических эффектов, так и с помощью измерения колебаний помещенной в звуковое поле тонкой гибкой мембраны. Такие подходы позволяют измерять звуковое давление в отсутствие гидрофона, однако не снимают проблемы ближнего поля (плоской волны, падающей на гидрофон) при помещении в измерительную точку градуируемого гидрофона. Метод прямых измерений колебательной скорости поверхности активного элемента преобразователя сканирующим лазерным виброметром применяют для градуировки направленных излучателей c протяжённой областью ближнего поля, а также для градуировки измерительных гидрофонов с плоским активным элементом.

Упомянутые методы требуют применения сложных и дорогостоящих оптико-механических систем, весьма чувствительных к воздействию внешних факторов (температура, вибрация), имеют ряд других недостатков и ограничений и в настоящее время по точности не превосходят метода взаимности. Оптические интерферометрия и виброметрия применяются на высоких частотах и пока не могут составить конкуренцию методу взаимности при градуировке гидрофонов по полю на частотах ниже 500 кГц. Это заставило автора искать новые подходы, которые могли бы обеспечить необходимое повышение точности измерений в условиях свободного поля в рамках метода взаимности.

Основными факторами, ограничивающими резервы повышения точности традиционной градуировки методом взаимности, являются: использование измеряемого отличия звукового поля от сферического только для оценки погрешности, оценивание минимального расстояния между излучателем и приемником только по размерам их активных элементов, подмена чувствительности на частоте гармонического сигнала чувствительностью, измеряемой на тональном импульсе, использование узкополосной фильтрации тонально-импульсного сигнала. В связи с этим для решения проблемы повышения точности потребовалось не только усовершенствовать технику излучения и приема в отражающем бассейне, исследовать около десяти групп источников погрешности и разработать способы уменьшения их влияния, но и уточнить понятия, связанные с чувствительностью градуируемого приемника.

Так, уменьшение погрешности, связанной с рассеянием, потребовало рассматривать чувствительность градуируемого гидрофона как чувствительность эквивалентной системы, образованной акустическим центром активного элемента и точечными источниками рассеянной волны, использовать зависимость звукового давления от расстояния между излучателем и гидрофоном как голограмму источников рассеяния, решать задачу реконструкции пространственного распределения источников путем замещения рассеивающей неоднородности эквивалентными локализованными источниками, и создать на этой основе новую (модифицированную) процедуру измерений методом взаимности, позволяющую по результатам измерений в поле, возмущенном рассеянием, получать значения чувствительности гидрофона по полю.

Расширение частотного диапазона градуировки гидрофона по полю в область низких частот потребовало применить широкополосный прием с когерентным накоплением, излучение квадратурно-дополненных тонально-импульсных и ЛЧМ сигналов, метод скользящего комплексного взвешенного усреднения (СКВУ).

Специфике проблемы передачи единицы звукового давления СИ УПШ не уделялось должного внимания. Неравномерность частотной характеристики чувствительности и характеристики направленности гидрофона, искажения характеристик вследствие дифракции звуковой волны на носителе гидрофона, несоответствие традиционной характеристики чувствительности гидрофона измеряемой величине являются наиболее значимыми составляющими погрешности гидроакустического спектрометра. Проблема уменьшения инструментальной погрешности измерений подводного шума может быть решена лишь в результате существенного уменьшения этих составляющих, в противном случае повышение точности градуировки измерительного гидрофона теряет смысл.

Еще одна проблема обусловлена многократным увеличением протяженности области ближнего поля носителем гидрофона, что не позволяет с помощью традиционных методов измерить частотную характеристику СИ УПШ в дальнем поле. Применить для рассматриваемой задачи методы ближнего поля, например, метод DRL или метод Тротта невозможно, поскольку они имеют как общие, так и индивидуальные недостатки, при градуировке больших преобразователей ограничены диапазоном частот от 1 до 10 кГц, а на более высоких частотах не имеют преимуществ перед обычными методами градуировки.

При измерениях УПШ чувствительность гидрофона должна быть задана с помощью электроакустического параметра, который позволяет оценивать СКЗ звукового давления в точке приема в полосе частот по результатам измерения СКЗ выходного напряжения гидрофона в этой полосе частот.

Различие измеряемых параметров звукового давления обуславливает различие в подходах к градуировке лабораторного (эталонного) и морского (натурного) гидрофонов. Подход, основанный на интерпретации падающей в точку приема волны как процесса, мощность которого распределена в некоторой полосе частот, обладает двумя принципиальными преимуществами: 1) позволяет ввести понятие чувствительности гидрофона в полосе частот, адекватное измеряемой величине при применении гидроакустического спектрометра по назначению и 2) дает возможность при градуировке габаритного приемника в полосах частот многократно сокращать протяженность ближнего поля в сравнении со случаем приема гармонического сигнала, и получать в условиях лабораторного бассейна значение чувствительности в дальнем поле.

На основе детального анализа перечисленных проблем сформулированы конкретные пути их решения, которые приводятся в диссертационной работе.

В главах 2-5 рассмотрены вопросы разработки и совершенствования методов повышения точности градуировки гидрофонов по полю, создания эталонных установок для воспроизведения и передачи единицы звукового давления в условиях свободного поля на гармонических сигналах.

Глава 2 посвящена разработке модифицированной процедуры метода взаимности.

Для того, чтобы охарактеризовать искажения поля, обусловленные рассеянием звуковой волны в точку приема, введено понятие функции неопределенности приведенного передаточного импеданса (ППИ) излучателя и приемника. Значения функции неопределенности ППИ получают как относительные отклонения от среднего значения экспериментальной зависимости ППИ от расстояния r_PH между излучателем и приемником. На основе представления гидрофона в виде системы распределенных в пространстве акустических центров активного элемента и эквивалентных локализованных источников рассеяния функция неопределенности ППИ аналитически выражена суммой функций рассеяния эквивалентных источников



,

где R_i - эквивалентный источник, удаленный на расстояния и от излучателя и приемника соответственно; - комплексный коэффициент, характеризующий рассеяние источника в точку приема; k - волновое число; - разность хода прямой и рассеянной источником волн.

Такое представление гидрофона не только позволяет учитывать влияние рассеяния, но и дает возможность восстанавливать пространственное распределение эквивалентных источников по зависимости ППИ от расстояния между излучателем и приемником методами, аналогичными акустической голографии. Разработаны методы (метод виртуальной линзы и метод сканирующего виртуального отражателя) определения параметров эквивалентных источников рассеяния. Метод сканирующего виртуального отражателя использует согласованную пространственную фильтрацию функции неопределенности ППИ. Вычислительная схема метода предполагает вычисление для точек ф(x_ф, y_ф, z_ф) области рассеяния отклика согласованного фильтра:

,

где V_p - траектория перемещений излучателя; - функция, комплексно_сопряженная функции рассеяния эквивалентного источника, локализованного в точке ф. Излучение квадратурно-дополненных (различающихся по фазе на р/2) гармонических сигналов позволяет упростить измерения комплексной зависимости . При малом рассеянии координаты эквивалентных источников восстанавливают в результате согласованной фильтрации функции неопределенности квадрата модуля ППИ.

Применение разработанных методов в реальных условиях градуировки гидрофона позволяет определять параметры не только источников, обусловленных подводной конструкцией эталона, но и источников, формируемых собственно гидрофоном (см. рис. 1).

Размещено на http://www.allbest.ru/

При способе крепления преобразователей, принятом в государственных первичном и вторичном эталонах, искажения поля обусловлены малым числом значимых источников рассеяния, при этом искажения поля удается выделить с высокой степенью приближения. Предложены алгоритмы, позволяющие оценивать значение ППИ излучателя и приемника в невозмущенном поле, а также определять параметры эквивалентных локализованных источников рассеяния, в том числе при наличии систематической ошибки измерения расстояния между излучателем и приемником. Разработанная модифицированная процедура метода взаимности позволяет исключать (до величин, соизмеримых со случайной погрешностью) вклад рассеяния в погрешность градуировки и определять как чувствительность активного элемента гидрофона, так и чувствительность гидрофона с учетом собственных источников рассеяния.

В отличие от стандартной процедуры, модифицированная процедура предполагает планирование геометрических параметров измерительного эксперимента, измерение зависимостей ППИ от измерительного расстояния для трех пар излучатель-приемник (излучатель и гидрофон, излучатель и обратимый преобразователь, обратимый преобразователь и гидрофон) и математическую обработку результатов. Обработка зависимости ППИ каждой пары излучатель-приемник включает в себя определение количества и координат эквивалентных источников и оценивание их параметров рассеяния, а также оценивание значения ППИ излучателя и приемника в невозмущенном поле.

Оценки ППИ используются в формулах метода взаимности для расчета чувствительности гидрофона M_H и воспроизводимого эталоном звукового давления p:

,

p = ,

где - параметр взаимности в поле сферической волны; - значения оценок ППИ излучателя и гидрофона, обратимого преобразователя и гидрофона, излучателя и обратимого преобразователя соответственно; I_T - ток в цепи обратимого преобразователя.

В отличие от формул стандартного метода взаимности в модифицированные формулы явно не входит расстояние между излучателем и приемником, поскольку оно учтено в значении ППИ излучателя и приемника.

Зависимости ППИ от расстояния между излучателем и приемником измеряют и при градуировке стандартной процедурой метода взаимности. Однако в стандартной процедуре измерение зависимости ППИ используют лишь для оценки погрешности, обусловленной искажениями звукового поля, а в модифицированной - входит в число обязательных операций градуировки.

Использование в формулах метода взаимности значений ППИ излучателей и приемников в невозмущенном поле более корректно, поскольку параметр взаимности теоретически определен именно для идеального сферического поля. Формула расчета воспроизводимого звукового давления также более адекватна определению, данному в МЭК 60565 (измеряемое звуковое давление должно соответствовать условиям, при которых гидрофон в точке измерений отсутствует). Применение чувствительности активного элемента гидрофона в качестве параметра, подлежащего измерению при ключевых сличениях, дает возможность:

- формализовать измеряемый параметр вне зависимости от конструкции гидрофона, силы рассеивания и положения источников;

- исключать из рассмотрения составляющую неопределенности измерений, обусловленную свойствами гидрофона, который не входит в состав сличаемых измерительных установок;

- преодолеть неоднозначность того, что следует понимать под гидрофоном, чувствительность которого измеряется при сличениях: активный элемент, активный элемент и корпус гидрофона, часть либо всю конструкцию, объединяющую в себе гидрофон, подводный узел позиционирующего устройства эталона и элемент крепления гидрофона. Измерение чувствительности активного элемента наилучшим образом соответствует основной задаче ключевых сличений - подтвердить заявленные калибровочные возможности лаборатории.

В главе 3 предложены методы уменьшения доминирующих составляющих погрешности градуировки гидрофонов по полю.

Классическая методика измерений основана на принципе «чем уже полоса пропускания измерительного тракта, тем выше отношение сигнал/помеха», что справедливо для узкополосных сигналов, к каковым короткий тонально-импульсный сигнал не относится. Основными недостатками данной методики являются:

- малое отношение сигнал/шум в приемном тракте (большое СКО измерения напряжений);

- снижение эффективности временной селекции тонального импульса с уменьшением частоты (как следствие - ограничение нижней частоты измерений);

- большие искажения измерительного импульса переходными процессами в полосовых фильтрах.

Оптимизировать прием сигнала при измерениях в гидроакустическом бассейне автору удалось реализацией метода накопления серии когерентных тональных импульсов. Для эталонной установки, реализующей когерентное накопление, характерны широкополосный приемный тракт и система синхронизации приема и излучения, основанная на использовании единого синтезатора частоты.

При когерентном накоплении:

- отношение полезного сигнала к случайной помехе возрастает пропорционально корню квадратному из числа усредняемых импульсов, что позволило реализовать алгоритм подавления случайной помехи, адаптивный к шумовой обстановке;

- не происходит дополнительных искажений измерительного сигнала переходными процессами в приемном тракте, и практически весь тональный импульс может быть использован для оценки амплитуды методами цифровой фильтрации, благодаря чему полоса частот цифрового фильтра оказывается как минимум в три раза уже в сравнении с узкополосным приемом синтезированными фильтрами.

Показано, что время установления выходного напряжения приемника при градуировке гидрофона на эталонной установке с широкополосным приемным трактом зависит на высоких частотах от кривизны частотной характеристики пары излучатель-приемник (в свободном поле) в окрестности частоты градуировки, а на низких частотах - от крутизны наклона частотной характеристики. Автором предложен подход к оцениванию времени установления выходного напряжения приемника на низких частотах по ширине спектра низкочастотного фрагмента частотной характеристики пары излучатель-приемник. На основе предложенного подхода оценена нижняя частота градуировки по полю в бассейне заданных размеров и выработаны способы расширения частотного диапазона градуировки в область низких частот за счет излучения квадратурно-дополненных сигналов и уменьшения крутизны наклона частотной характеристики излучения (коррекция характеристики излучения или предыскажение генерируемого сигнала).

...