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

Предложенные решения позволили автору:

- уменьшить СКО результата измерения почти на порядок в сравнении с эталонами, построенными по традиционной схеме;

- минимизировать время установления сигнала, сократить на низких частотах длительность излучаемого тонального импульса до 2-3 периодов без ущерба точности измерений и уменьшить частоту измерений в свободном поле в шесть раз в сравнении с эталонами предшествующих разработок;

- разработать и применить способы борьбы с синхронной перекрестной помехой (метод вычитания помехи и метод усреднения ППИ излучателя и приемника);

- повысить точность определения расстояния между излучателем и приемником в подводном положении за счет применения акустического способа измерения расстояния.

Отличительные особенности измерительных сигналов при когерентном накоплении и при использовании общепринятой схемы приемно-излучающего тракта продемонстрированы на рис. 2.

Уменьшение искажений звукового поля рассеянием является одним из непременных условий повышения точности градуировки по полю. Подход, основанный на применении материала с волновым сопротивлением, близким к волновому сопротивлению водной среды, не обеспечивает требуемого уменьшения рассеяния. На основе методов акустической голографии автором достигнуто значительное уменьшение рассеяния гидрофонами и подводными устройствами эталона за счет повышения их «акустической обтекаемости», что обеспечило малое рассеяние падающей звуковой волны в точку приема.

Применение «акустически обтекаемых» форм, обеспечивающих неизменность либо плавное изменение площади поперечного сечения конструкции в направлении точки приема, позволило значительно уменьшить погрешность, обусловленную интерференционными искажениями поля в эталонных установках с неизменным расстоянием между излучателями и приемниками. Позиционирование гидрофона с помощью жесткой штанги в форме иглы дает возможность исследовать рассеяние на самом гидрофоне методами акустической голографии. На основании анализа результатов исследований источников рассеяния гидрофонов различных моделей, автор считает такие исследования обязательными при испытаниях гидрофона для целей утверждения типа СИ. Они позволяют определить эффективный размер гидрофона, измерительное расстояние и достижимую погрешность градуировки на эталоне с заданными размерами рабочей зоны. На основе этих исследований автором выработаны рекомендации по совершенствованию формы гидрофона. В работе рассмотрены также методы уменьшения составляющих погрешности градуировки, обусловленные нелинейностью, затенением звукового поля центральным гидрофоном, нарушением критериев дальнего поля и взаимности обратимого преобразователя, позиционированием и подготовкой гидрофона к измерениям. Отсутствие в нормативных документах обоснованных показателей качества воды в измерительном бассейне, стандартизованных методик проверки качества воды, а также обоснованных рекомендаций по улучшению показателей, не позволяет оценивать качество воды как измерительной среды, что наглядно проявилось на ключевых сличениях. Автором оценено влияние на результаты градуировки таких параметров водной среды как минерализация, концентрация растворенного газа, стратификация, температура, плотность, статическое давление и других. На основе обследования воды в бассейне ВНИИФТРИ обоснована необходимость проведения НИР по оценке влияния показателей качества воды на погрешность измерений, и разработки нормативных документов, устанавливающих нормы показателей и меры по их обеспечению. Вынужденное оценивание временной стабильности по погрешности градуировки гидрофона является слишком грубым, поэтому исследование стабильности актуально не только для эталонных, но и для рабочих гидрофонов. Непременным условием таких исследований является установление опорных условий для нормирования и измерения характеристик гидрофонов и термостатирование бассейна. В главе 4 рассмотрена реализация методов уменьшения погрешностей измерений в созданных эталонных установках. Описаны основные характеристики, особенности конструкции, структурные и кинематические схемы установок свободного поля ГЭТ_55_91, установки вторичного эталона ВЭТ 55_1-96, исходного ведомственного эталона (см. рис. 3 и 4), рабочих эталонов 2_го разряда, созданных под руководством либо при непосредственном участии автора. Рассмотрена реализация методов и способов уменьшения погрешностей в эталонных установках. Большое внимание уделено рассмотрению путей совершенствования государственного первичного эталона нового поколения, включая конструкцию и электронные устройства эталона, эталонные гидрофоны, среду измерений, методы измерений, а также создание комплекса вспомогательных исследовательских установок.

Размещено на http://www.allbest.ru/

При достигнутых точностях эталонных установок погрешность передачи единицы звукового давления вносит малый вклад в погрешность измерительного гидрофона. Даже в оптимальных условиях применения погрешность гидрофона определяется не столько точностью эталона, сколько существующей системой нормирования характеристик гидрофона. В связи с этим дифференцированы требования к гидрофонам, входящим в состав первичного и вторичного эталонов, гидрофонам_эталонам ключевых сличений, гидрофону - эталону 1-го разряда, измерительному гидрофону, а также к методам их испытаний.

Добавлен ряд новых требований к гидрофонам, в том числе: отсутствие изменений чувствительности, связанных с обжимом гидрофона на малых глубинах, малый (либо точно известный) температурный коэффициент чувствительности, малые смещения резонансов при изменении температуры, «акустически обтекаемая» форма (малый параметр рассеяния), минимальное отношение диаметр/длина волны (с учетом корпуса гидрофона), дистанция дальнего поля, не превосходящая рабочей зоны эталонов.

На основании этих требований выработаны предложения по развитию и совершенствованию нормативно-технических документов на гидрофоны и методы их испытаний. Так, например, параметр рассеяния и дистанция дальнего поля должны войти в характеристики, определяющие класс точности гидрофона, а при испытаниях гидрофона необходимо определять характерные частоты (соответствующие экстремумам частотной характеристики), на которых необходимо дополнительно градуировать гидрофон при периодической поверке, и частотные интервалы, в которых частотная характеристика значительно изменяется от температуры и давления.

В главе 5 изложены результаты первых международных ключевых сличений калибровок гидрофонов по полю в диапазоне частот 1- 500 кГц (CCAUV.W-K1). Координатором и лабораторией_пилотом проекта являлась Национальная физическая лаборатория (NPL) Великобритании. Решением МКМВ для участия в ключевых сличениях были отобраны наиболее компетентные в области гидроакустических измерений лаборатории, представлявшие: NPL (Великобритания, EURAMET), PTB Германия (EURAMET), URSD_NIST (США, SIM), DRDC (Канада, SIM), NIM (КНР, APMP), CSIR (ЮАР, SADCMET), ВНИИФТРИ (Россия, КООМЕТ).

Значения заявленных участниками стандартных неопределенностей измерений приведены в таблице.

Все участники ключевых сличений использовали метод взаимности в свободном поле сферической волны с тремя преобразователями и применяли (за исключением ВНИИФТРИ) стандартную процедуру градуировки в соответствии с МЭК 565 и национальными стандартами. Одно из основных требований сличений заключалось в обеспечении отсутствия отражений (рассеяния) акустического сигнала на активный элемент гидрофона. Крепление гидрофона должно быть удалено от активного элемента на максимально возможное расстояние и при этом обеспечивать необходимую точность позиционирования гидрофона под водой. Для исключения влияния рассеяния во ВНИИФТРИ была применена предложенная автором модифицированная процедура метода взаимности.

При составлении и обосновании бюджета источников неопределенности автором рассматривались и оценивались следующие факторы: нарушение условий дальнего поля, нарушение критерия взаимности обратимого преобразователя, точность измерения выходного напряжения приемника и тока излучателя, точность измерения дистанции между преобразователями, интерференция вследствие отражений и рассеяния звуковой волны, искажения сигнала переходными процессами, электрический шум (включая высокочастотную наводку), неисключенные остатки перекрестной помехи, нестабильность среды (осаждение воздушных пузырьков). Для уменьшения влияния этих источников неопределенности автор применил разработанные им методы.

Для градуировок на частотах до 350 кГц применялась новая установка свободного поля вторичного эталона, на более высоких частотах - установка К-4 ГЭТ 55_91. В целях обеспечения достоверности результатов измерений в диапазоне частот 1_200 кГц одновременно с ключевыми были проведены межлабораторные сличения, при которых градуировки выполнялись на установке К_3 ГЭТ 55_91 и на рабочем эталоне 2-го разряда «М_13». Межлабораторные сличения подтвердили эффективность модифицированной процедуры и других разработанных автором методов уменьшения погрешности измерений и показали значительное преимущество (по точности) установки свободного поля вторичного эталона в сравнении с установкой К_3 ГЭТ 55_91. Это позволило автору заявить и подтвердить наивысшие среди участников ключевых сличений точности измерений.

Объединенные уровни ключевых сличений для частот 1, 3, 10, 50, 100, 200, 350 и 500 кГц, приведены на рис. 5 и 6. Несоответствие результата градуировки ВНИИФТРИ, полученное на частоте 500 кГц (верхней границе частотного диапазона сличений) составляет _0,26 дБ. Такое несоответствие можно расценивать как значимое и с большой вероятностью признать результат ошибочным, поскольку несоответствие соизмеримо с заявленной неопределенностью. Причину полученного несоответствия следует искать в том, что при градуировке на частотах выше 350 кГц применялось усреднение значений ППИ при различных расстояниях между излучателем и приемником, и полученное несоответствие наглядно иллюстрирует недостатки усреднения ППИ в сравнении с модифицированной процедурой градуировки метода взаимности.

Одной из причин, повлиявших на расхождения результатов участников, в отчете по ключевым сличениям (NPL Report. DQL-AC 009) было признано различие температурных условий. Температура воды в большом бассейне ВНИИФТРИ была на 4 ?C ниже, чем у других участников, заявивших минимальные неопределенности и имевших наибольшие веса при расчете оценок опорных уровней ключевых сличений.

Уровни эквивалентности ВНИИФТРИ для частот измерений в большом бассейне проявляют положительное смещение. В диапазоне частот выше 350 кГц градуировка проводилась в малом бассейне при температуре, близкой к температуре воды других участников, при этом положительного смещения уровней эквивалентности не проявилось. Это стало одним из аргументов (наряду с временным трендом чувствительности гидрофонов, нестабильностью водной среды, различиями глубины погружения) для обоснования автором необходимости стандартизации опорных условий при градуировке гидрофона на международном уровне, и инициирования им соответствующего предложения в ТК 1.2 КООМЕТ и на консультативном комитете CCAUV МКМВ. Стандартизация опорных условий одобрена консультативным комитетом CCAUV МКМВ и будет опробована на предстоящих ключевых сличениях.

Среди основных причин, обусловивших различия условий измерений, в отчете было названо рассеяние на креплениях, используемых для эталонного гидрофона в различных лабораториях. Стандартизация рассеяния и измерительного расстояния рассматривается как одно из непременных условий при проведении предстоящих ключевых сличений. Для этого гидрофоны-эталоны ключевых сличений предполагается комплектовать специальным элементом крепления. По мнению автора, при таком подходе высокая точность калибровки эталона ключевых сличений на фиксированном расстоянии не характеризует калибровочные возможности лаборатории при выполнении рутинных калибровок. В качестве альтернативы стандартизации рассеяния автором выдвинуто предложение использовать при ключевых сличениях чувствительность активного элемента гидрофона.

По результатам ключевых сличений МКМВ подтвердил заявленные ВНИИФТРИ калибровочные возможности, которые внесены в базу СМС-данных (Calibration and Measurement Capabilities) МБМВ.

В главах 6, 7 рассмотрены вопросы градуировки приемников звукового давления, применяемых при измерениях УПШ.

В главе 6 разработан подход и на его основе метод градуировки гидрофона, применяемого при измерениях УПШ в стандартных 1/n-октавных полосах частот. Неадекватность использования значений чувствительности гидрофона, определенных на гармоническом сигнале, величине, измеряемой при оценивании УПШ, является одним из основных источников погрешности гидроакустического спектрометра. Определение чувствительности гидрофона, применяемого при измерениях УПШ, целесообразно формулировать, основываясь на рассмотрении звукового давления в точке приема, как процесса с распределенной в полосе частот мощностью.

Предложено определение чувствительности гидрофона в полосе частот на классе звуковых давлений с равномерным в полосе частот спектром, как отношение СКЗ выходного напряжения гидрофона в полосе частот к СКЗ звукового давления в этой полосе частот. При таком подходе чувствительность гидрофона M_1/n(f_m) в 1/n-октавной полосе со среднегеометрической частотой f_m определяется по формуле:

M_1/n(f_m) = ,

где и - соответственно верхняя и нижняя граничные частоты 1/n-октавной полосы частоты f_m, M_H(f) - частотная зависимость чувствительности гидрофона на гармоническом сигнале.

Заданная таким образом чувствительность гидрофона обладает следующими преимуществами:

- не является функцией измеряемого звукового давления и определяется только частотными свойствами самого гидрофона и граничными частотами полосы частот;

- не требует разработки специфических методов градуировки и допускает использование стандартной измерительной техники с применением гармонических сигналов;

- рассчитывается по частотной характеристике чувствительности гидрофона;

- позволяет исключить несоответствие величин, традиционно используемых в уравнении измерений акустическим спектрометром.

Основная проблема градуировки в полосах частот связана с необходимостью получать частотную характеристику чувствительности гидрофона с требуемой подробностью. Для получения детальных частотных характеристик автором разработан метод градуировки гидрофонов по полю при непрерывном излучении в измерительном бассейне полосового сигнала. Метод основан на оценивании ППИ излучателя и приемника в свободном поле скользящим комплексным взвешенным усреднением (СКВУ) частотной зависимости ППИ излучателя и приемника в реверберационном поле отражающего бассейна.

Сформулированы понятия частотного интервала усреднения f_wa, при измерениях в котором отражающий бассейн для заданных точек излучения и приёма можно рассматривать как заглушенную камеру, а также частотного интервала бассейна f_WT, который позволяет оценивать искажения искомой частотной характеристики ППИ в свободном поле, вызванные усреднением. Частотный интервал бассейна определяется отношением скорости звука в воде к эффективному размеру бассейна, рассчитываемому по разности хода в точке приема прямой волны излучателя и первой отраженной волны. В результате СКВУ частотной зависимости получают оценку ППИ в свободном поле

,

которую можно рассматривать как частотную зависимость ППИ в свободном поле, усредненную с равным весом в частотном интервале бассейна f_WT.

Взвешивающая функция h(f) реализует многополюсный пространственный режектирующий фильтр и получается сверткой прямоугольных окон режектирующих фильтров, настроенных на значимые отражения. Метод работает не с сигналом, а с комплексной частотной зависимостью безотносительно способа ее получения и вида излучаемого сигнала, поэтому при излучении могут быть использованы тональные, ЛЧМ, случайные и детерминированные полосовые сигналы.

Эффективность метода СКВУ при измерениях в отражающем бассейне оценивалась экспериментально проверкой обратно пропорционального закона изменения звукового давления, измерением характеристик направленности гидрофонов, градуировками гидрофонов по полю методами взаимности и сличения, исследованием метода в бассейнах с различным характером отражений, резко отличающихся как по форме, так и по размерам, градуировкой гидрофона с преднамеренно внесенной неравномерностью частотной характеристики чувствительности на низких частотах, сравнением результатов с результатами, полученными при тонально-импульсном излучении в бассейне и при непрерывном излучении в камере малого объема.

К основным ограничениям метода СКВУ можно отнести уменьшение разрешающей способности по частоте с уменьшением эффективного размера бассейна и требование малой неравномерности искомой частотной характеристики (в свободном поле) в частотном интервале усреднения. Автором предложены приемы, позволяющие повысить разрешающую способность метода за счет уширения полосы пропускания применяемого пространственного режектирующего фильтра, и существенно уменьшить погрешности, обусловленные неравномерностью искомой частотной характеристики за счет уточнения информации о поведении частотной характеристики в результате повторных применений СКВУ.

По эффективности подавления влияния отражений метод СКВУ превосходит методы, основанные на спектрометрии временных задержек и комплексном кепстральном анализе. Отличительные особенности метода СКВУ: узкие кепстры отражений и режектирующий пространственный фильтр, нули функции пропускания которого совпадают с квефренциям отражений. Метод позволяет в реверберационном поле отражающего бассейна получать характеристики по полю с точностью, достаточной для эталонных измерений. На рис. 7 приведены характеристики направленности гидрофона на частотах 16 и 20 кГц, измеренные в реверберационном поле с применением метода СКВУ. Характеристики практически совпадают с полученными при тонально-импульсном излучении.

При использовании СКВУ условия «свободного поля» ограничены только частотным интервалом, в котором усредняется измеряемая характеристика (частотный интервал большого бассейна ВНИИФТРИ составляет 251 Гц). Это позволяет распространить частотный диапазон измерений по полю в отражающем бассейне на сверхнизкие частоты, на которых длина волны соизмерима с размерами бассейна. Зависимостями на рис. 8 представлены результаты исследований закона изменения звукового давления от расстояния между гидрофоном (приемником) и подводным излучателем электродинамического типа на частотах 250 и 800 Гц при непрерывном излучении полосового сигнала в бассейне с минимальным размером 6 м и временем реверберации 200 мс. Применение метода СКВУ настолько ослабляет влияние отражений, что позволяет по аппроксимирующим прямым графиков 1/Z_PH определять зависимость положения точки излучения (приема) от частоты для преобразователей с несимметричной формой активного элемента (электродинамического излучателя).

В отличие от тонально-импульсного излучения при использовании метода СКВУ размеры бассейна определяет не длина излучаемой волны, а размеры излучателя и приемника (расстояние дальнего поля) и продолжительность энергетически значимой части импульсной характеристики системы излучатель-приемник в свободном поле. Если энергетически значимую часть определять по времени затухания, как это делается при оценке времени реверберации, то при использовании метода СКВУ размер бассейна задается временем затухания переходного процесса системы излучатель-приемник в свободном поле, и требуемый размер бассейна значительно уменьшается в сравнении с традиционным тонально-импульсным методом. Как показано автором, при тонально-импульсном излучении также происходит усреднение измеряемой частотной характеристики, обусловленное влиянием границ (временной селекцией). Это связано с конечным временем, как самого тонального импульса, так и его участка, используемого для оценки амплитуды. С вызываемой усреднением погрешностью измерений (которая фактически определяет нижнюю частоту градуировки по полю в отражающем бассейне) мирились вынужденно, поскольку методов, альтернативных тонально-импульсному излучению, не было. При использовании метода СКВУ многократно упрощается и удешевляется реализация эталонных установок для исследования и испытаний временной стабильности гидрофонов, зависимости чувствительности от температуры и давления.

Метод СКВУ реализован в рабочих эталонах для получения непрерывных частотных характеристик при градуировке в полосах частот гидрофонов и гидроакустических измерительных модулей, и был использован для низкочастотных калибровок гидрофонов на международных сличениях 473/RU/09.

На рис. 9 приведены: частотные характеристики чувствительности гидрофона 1П4М на гармоническом сигнале, полученные при непрерывном излучении и тонально-импульсном излучении с шагом 1/3 и 1/30 октавы; частотные характеристики чувствительности гидрофона в 1/3-октавной полосе частот.

Как видно из зависимостей, представленных на рис. 9:

- значения чувствительности гидрофона, измеренные при непрерывном излучении полосового сигнала и при тонально-импульсном излучении с шагом 1/30 октавы, практически не различаются, что подтверждает высокую эффективность предложенного метода оценивания ППИ излучателя и приемника в свободном поле;

- использование чувствительности в 1/3_октавной полосе частот, рассчитанной по непрерывной частотной характеристике гидрофона, позволяет существенно (на 2,5 дБ и более) уменьшить погрешность измерений УПШ в 1/3-октавных полосах частот на частотах выше 63 кГц (где частотная характеристика гидрофона имеет значительную неравномерность) в сравнении с использованием чувствительности гидрофона на 1/3-октавных частотах.

Шаг перестройки частоты при градуировке гидрофона в полосе частот необходимо определять на основе исследований формы его детальной («непрерывной») частотной характеристики для гармонического сигнала. Такие исследования необходимо проводить при испытаниях гидрофона в целях утверждения типа с использованием предложенного метода градуировки при непрерывном излучении полосового сигнала.

Глава 7 посвящена разработке методов, связанных с градуировкой приемников, применяемых для измерений УПШ в условиях морской акватории.

При измерении УПШ в море гидрофон устанавливают на носителе, размеры которого намного превышают размеры гидрофона. Элементы конструкции носителя переизлучают падающую на него звуковую волну в точку приема. В результате частотная характеристика такого гидроакустического модуля (ГМ) оказывается настолько неравномерной, что погрешность, обусловленная этой неравномерностью, в разы превышает погрешность градуировки гидрофона. С другой стороны, минимальное расстояние между излучателем и ГМ (расстояние дальнего поля), необходимое для измерения частотной характеристики ГМ, многократно превышает размеры измерительного бассейна.

В этой ситуации использование для ГМ чувствительности в полосе частот обладает, помимо указанных выше, качественным преимуществом, которое позволяет градуировать ГМ больших габаритов в лабораторном бассейне.

Предложенный метод градуировки ГМ основан на выражении, полученном для зависимости отношения СКЗ в полосе частот выходного напряжения ГМ v_1/n(f_m) к СКЗ в полосе частот звукового давления в точке приема ГМ p_1/n(f_m) от расстояния r_PH между излучателем и ГМ:

,

где M_1/n(f_m) - чувствительность гидрофона в полосе частот в отсутствие носителя, Щ_1/n(f_m, r_PH) - функция неопределенности чувствительности, характеризующая влияние вторичного излучения ГМ, в которую входят энергетическая и корреляционная компоненты.

В работе введено понятие границы области приема в полосах частот, как границы области пространства, вне которой источники вторичного излучения не оказывают влияние на корреляционную компоненту. В качестве границы предложено использовать расстояние от точки приема, соответствующее первому нулю огибающей корреляционной компоненты. Фактический размер области приема (эффективный размер) ГМ в полосе частот определяет не габаритный размер ГМ, а наиболее удалённый от точки приема вторичный источник, попадающий внутрь границ области приема. Границы области приема сокращаются обратно пропорционально ширине полосы частот, соответственно эффективный размер приемника в полосе частот уменьшается с расширением полосы частот. Это дает возможность измерять исходную частотную характеристику не на расстояниях дальнего поля для гармонического сигнала, а на гораздо меньших расстояниях дальнего поля для требуемой полосы частот. Минимальное расстояние между излучателем и ГМ рассчитывается исходя из эффективного размера ГМ в полосе частот по правилам, общепринятым при градуировке гидрофона на гармоническом сигнале.

Наличие в ГМ значительного вторичного излучения не позволяет пренебрегать вызываемым им смещением чувствительности ГМ относительно чувствительности установленного в нем гидрофона, что обуславливает принципиальные различия в подходах к градуировке ГМ и гидрофона. При градуировке расстояние между ГМ и излучателем должно удовлетворять условиям, при которых установившихся значений достигают и корреляционная и энергетическая компоненты функции неопределенности чувствительности ГМ.

Зависимость расстояния дальнего поля от частоты при приеме полосовых сигналов имеет более сложный характер, чем пропорциональная зависимость для гармонических сигналов. С увеличением частоты расстояние дальнего поля при градуировке в полосе частот будет возрастать до тех пор, пока эффективной размер ГМ не приблизится к значению границы области приема в полосе частот. При дальнейшем увеличении частоты эффективный размер ГМ резко уменьшается, вследствие чего многократно уменьшается расстояние дальнего поля. На рис. 10 приведены зависимости расстояния дальнего поля от частоты при приеме гармонического сигнала и сигнала с равномерно распределенной в 1/3-октавной полосе мощностью ГМ с двумя значимыми вторичными источниками, удаленными от точки приема на различные расстояния.

Как видно из зависимостей на рис. 10, при градуировке в полосах частот расстояние дальнего поля достигает максимума на средних частотах и уменьшается с увеличением (уменьшением) частоты до расстояния, определяемого энергетической компонентой, что позволяет получать чувствительность ГМ в полосе частот при измерениях в лабораторном бассейне типичных размеров.

Наличие значительного вторичного излучения и его пространственное распределение определяют такие важные качества ГМ, как возможность его градуировки и применения при измерениях в узких полосах частот. Поэтому исследование источников вторичного излучения весьма актуально на этапе создания ГМ. Для исследования вторичного излучения был применен метод виртуального отражателя, что позволило не только оценивать влияние элементов конструкции на искажения поля в точке приема, но и выявлять элементы, вызывающие вторичное излучение и использовать полученные данные для совершенствования ГМ.

Пространственная реконструкция области вторичного излучения посредством ее зондирования волновыми полями является нелинейной некорректной обратной задачей и для реальной конструкции ГМ осложняется существованием внутри области вторичного излучения таких конфигураций источников, которые не наблюдаются во всей совокупности экспериментов. При оценке эффективного размера ГМ в полосе частот информация о пространственном распределении вторичных источников является избыточной. Возможность градуировки ГМ в бассейне данных размеров определяет наибольшая задержка вторичной волны (расстояние до наиболее удаленного от гидрофона значимого вторичного источника), поэтому достаточно ограничиться двумя параметрами источника: удаленность от точки приема и сила источника.

Изменение границы области приема в полосе частот при изменении ширины полосы рассмотрено с точки зрения перестройки полосы пропускания пространственного фильтра, подавляющего влияние источников вторичного излучения. При таком подходе, чем уже полоса частот измерений, тем больше радиус сферы, охватывающий пространство вокруг точки приема и, соответственно, шире полоса пропускания фильтра. Предложен и реализован метод определения эффективного размера ГМ в полосах частот, основанный на измерении характеристик направленности ГМ в полосах частот и обнаружении удаленного вторичного источника по резкому возрастанию осцилляций характеристики направленности при уменьшении ширины полосы частот. Для определения характеристик направленности в различных полосах частот удобно использовать непрерывные частотные характеристики ГМ.

Предложенный метод успешно применен для градуировки в диапазоне 1_100 кГц серии ГМ размером 1 м, предназначенных для измерения УПШ в 1/3-октавных полосах частот, и позволил избежать сложных и трудоемких процедур акустической голографии при оценке эффективного размера ГМ в полосе частот.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ВЫПОЛНЕННОЙ РАБОТЫ

В результате диссертационной работы:

1) Уменьшена до малозначимой погрешность, обусловленная рассеянием на гидрофоне, преобразователях и подводных конструкциях в первичном и вторичном эталонах. Это достигнуто применением модифицированной процедуры градуировки гидрофонов по полю методом взаимности, разработанной автором на основе предложенного представления излучателя и приемника в виде систем, состоящих из акустического центра и эквивалентных локализованных источников рассеяния, а также метода определения параметров источников с использованием согласованной пространственной фильтрации зависимости передаточного импеданса от расстояния между излучателем и приемником. В эталонах с неподвижными преобразователями эта погрешность уменьшена за счет предложенных автором «акустически обтекаемых» форм преобразователей и подводных конструкций с малым рассеянием звуковой волны в точку приема

2) Использование широкополосного приема и когерентного накопления квадратурно-дополненных тональных импульсов в сочетании с уменьшением крутизны наклона частотной характеристики излучения позволило расширить частотный диапазон градуировки гидрофона по полю в бассейне с минимальным размером 6 м в область низких частот с 3,15 кГц до 0,5 кГц, что превосходит возможности национальных эталонов других стран.

3) Предложена и обоснована формулировка чувствительности приемника звукового давления, применяемого для измерений уровней шумоизлучения, как чувствительность приемника в полосе частот. Это позволило:

- уменьшить погрешность гидроакустического спектрометра за счет учета неравномерности частотной характеристики приемника звукового давления в полосе частот фильтра,

- обеспечить возможность градуировки в лабораторном бассейне приемника звукового давления, 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) Разработанный автором метод скользящего комплексного взвешенного усреднения частотной характеристики системы излучатель - отражающий бассейн - приемник позволяет 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 позволило расширить диапазон градуировки гидрофонов по полю в бассейне с минимальным размером 6 м в область низких частот до 250 Гц, создать и ввести в эксплуатацию рабочий эталон 2-го разряда «Установка метрологическая МБ 1» для градуировки гидрофонов в полосах частот.

5) Показано, что при градуировке приемника звукового давления по полю минимальное расстояние между излучателем и приемником определяется не размером активного элемента или габаритами приемника, а протяженностью формируемой приемником области вторичного излучения. На основании исследованной зависимости эффективного размера приемника в полосах частот от ширины полосы частот показана возможность значительно сокращать расстояния дальнего поля при градуировке приемника в 1/n_октавных полосах частот. Это позволило впервые в отечественной практике выполнить в бассейне с размером рабочей зоны 5 м градуировку в стандартных 1/3_октавных полосах частот гидроакустического измерительного модуля с наибольшим размером до 1 м.

6) На основе предложенной формулировки чувствительности приемника в полосе частот и полученной зависимости эффективного размера ГМ от ширины полосы частот разработан метод градуировки, создан и введен в эксплуатацию рабочий эталон «Установка метрологическая МБ 2» для исследований и градуировки ГМ в диапазоне частот 1_100 кГц. Применение в МБ 2 методов акустической голографии позволило не только оценивать влияние элементов конструкции ГМ на поле в точке приема, но также выявлять элементы, вызывающие искажения поля, и использовать полученные данные для совершенствования конструкции ГМ.

7) Исследована зависимость характеристики направленности ГМ в полосах частот от удаленности источника вторичного излучения относительно точки приема, что позволило разработать метод определения эффективного размера ГМ в 1/n-октавных полосах частот, не применяя сложных измерительных процедур акустической голографии.

8) Предложенные в диссертации технические решения и методы уменьшения погрешностей, созданные эталонные установки и их метрологические исследования позволили:

- повысить точность калибровки гидрофонов по полю до уровня лучших мировых достижений, что подтверждено международными ключевыми сличениями CCAUV.W-K1,

- обосновать и подтвердить в диапазоне частот 1_500 кГц бюджет составляющих неопределенности калибровки с наименьшей среди участников ключевых сличений стандартной расширенной неопределенностью от 0,19 до 0,3 дБ,

- закрепить заявленные ВНИИФТРИ возможности в области калибровки гидрофонов в базе СМС_данных Международного бюро мер и весов.

9) Под руководством автора на основе разработанных им методов измерений и способов уменьшения погрешностей созданы исходный ведомственный эталон единицы звукового давления в водной среде и серия рабочих эталонов 2-го разряда для градуировки измерительных гидрофонов с чувствительностью от 5 мкВ/Па до 30 мВ/Па: установки для градуировки гидрофонов УГГ-1, РЭ-У-4, ВМФ-Р1; комплексы для поверки гидрофонов ВМФ-РЭ1/2, ВМФ-РЭ1/3, ВМФ_РЭ1/4, ВМФ-РЭ1/5; установки метрологические МБ 1 и МБ 2 внесены в государственный реестр СИ. С введением в эксплуатацию этих эталонов погрешность градуировки рабочих измерительных гидрофонов по полю уменьшилась с 2_3 дБ до 0,8_1,5 дБ.

10) На основании анализа бюджета неопределенностей обоснованы направления работ по повышению точности установок свободного поля Государственного первичного эталона ГЭТ 55_2008.

В диссертационной работе на основании выполненных автором теоретических и экспериментальных исследований изложены научно обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в совершенствование государственной системы обеспечения единства гидроакустических измерений, в создание эталонной базы для воспроизведения и передачи единицы звукового давления гидроакустическим приемникам на частотах до 1 МГц на более высоком уровне точности, ориентированном на современные и перспективные требования науки и технологий, и в повышение качества гидроакустических средств вооружений и военной техники ВМФ.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1 Исаев А. Е. и др. Снижение погрешности градуировки гидрофонов в свободном поле методом взаимности в гидроакустическом бассейне// Акустический журнал. Том 50. №5. 2004. С. 628 637.

2 Исаев А.Е. Чувствительность и характерный размер гидрофона в полосе частот при наличии источников отражений// Измерительная техника. 2005. № 12. С. 53 57.

3 Stephen P. Robinson, Alexander E. Isaev et al. An international key comparison of free-field hydrophone calibrations in the frequency range 1 to 500 kHz// JASA. 2006. Vol. 120. № 3. P. 1366 1373.

4 Исаев А.Е., Сильвестров С.В. Результаты участия ВНИИФТРИ в первых международных ключевых сличениях эталонов в области гидроакустических измерений// Измерительная техника. 2006. № 3. С. 65 70.

5 Исаев А.Е. Эффективная полоса частот при измерениях в свободном поле в условиях лабораторного гидроакустического бассейна// Измерительная техника. 2006.

№ 11. С 46 51.

6 Исаев А.Е. Оптимизация подводных конструкций, применяемых при градуировке гидрофонов в свободном поле// Измерительная техника. 2007. №1. С 66 64.

7 Исаев А.Е. Метод оценки эффективного размера гидроакустического измерительного модуля при градуировке в 1/n-октавных полосах частот// Законодательная и прикладная метрология. 2007. № 3. С. 85 89.

8 Исаев А.Е. Применение методов акустической голографии при исследовании гидроакустических измерительных модулей в условиях лабораторного бассейна// Законодательная и прикладная метрология. 2007. № 5. С. 53 57.

9 Исаев А.Е., Поликарпов А.М. Градуировка гидроакустических измерительных модулей в условиях лабораторного бассейна// Законодательная и прикладная метрология. 2007. № 6. С. 46 52.

10 Исаев А.Е. Совершенствование методов воспроизведения и передачи размера единицы звукового давления в водной среде в условиях свободного поля// Измерительная техника. 2007. № 8. С. 59 62.

11 Исаев А. Е. Модифицированная процедура метода взаимности в свободном поле// Измерительная техника. 2007. № 12. С. 48 52.

12 Исаев А.Е. Градуировка гидрофона при наличии отражающих элементов с использованием согласованной пространственной фильтрации// Акустический журнал. 2008. Том 54. № 3. C. 1 8.

13 Исаев А.Е., Матвеев А.Н. Два подхода к градуировке гидрофонов по полю при непрерывном излучении в незаглушенном бассейне// Измерительная техника. 2008. № 12. С. 47 51.

14 Исаев А.Е., Матвеев А.Н. Градуировка гидрофонов по полю при непрерывном излучении в реверберирующем бассейне// Акустический журнал. 2009. Том 55. № 6.

C. 727 - 736.

15 Исаев А. Е. Нижняя частота градуировки гидрофона по полю при излучении тональных сигналов в незаглушенном бассейне// Измерительная техника. 2010. № 1. С. 20 24.

16 Исаев А. Е., Матвеев А. Н. Повышение частотного разрешения при обработке акустических сигналов методом скользящего комплексного взвешенного усреднения//Акустический журнал. 2010. Том 56. № 2,.С. 277 283.

17 Исаев А.Е. Уменьшение влияния переходного процесса при градуировке гидрофонов по полю на низких частотах с использованием квадратурно-дополненных гармонических сигналов// Измерительная техника. 2010. № 4. С. 20 24.

Монография

18 Исаев А.Е. Точная градуировка приемников звукового давления в водной среде в условиях свободного поля. - Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ». 2008. 369 с.

Патент

19 Исаев А.Е., Матвеев А.Н., Сильвестров С.В. Способ градуировки гидрофона по полю при излучении непрерывного сигнала в измерительном бассейне с отражениями. Патент РФ № 2390968 С2. Кл. H04R 29/00.Опубликован 27.05.2010 в БИ № 15.

Публикации в других изданиях

20. Исаев А.Е. и др. Государственный специальный эталон единицы звукового давления в водной среде в диапазоне частот 1Ч10-2 - 1Ч106 Гц// Сб. научн. трудов ВНИИФТРИ «Проблемы метрологического обеспечения гидроакустических измерений»/ М: ВНИИФТРИ. 1992. С. 14 19.

21. Исаев А.Е., Лопашев Д.З. Акустические измерения// Сб. трудов VI сессии Российского акустического общества «Акустика на пороге XXI века»/ М: МГГУ. 1997. С. 392 396.

22. Исаев А.Е. и др. Перспективы развития системы метрологического обеспечения гидроакустических измерений// Сб. трудов VI сессии Российского акустического общества «Акустика на пороге XXI века»/ М: МГГУ. 1997. С. 260 262.

23. Исаев А.Е. и др. Рабочие эталоны второго разряда для градуировки измерительных гидрофонов. Пути улучшения метрологических характеристик// Сб. научн. трудов ВНИИФТРИ «Проблемы измерения параметров гидроакустических полей и обработки информации»/ М: ВНИИФТРИ. 1999. С. 95 107.

24. Исаев А.Е. и др. Градуировка гидрофонов методом взаимности. Принципы построения установок, основные составляющие погрешности// Тезисы докладов конференции ПМГИ 2001 «Проблемы метрологии гидрофизических измерений»/ М: ВНИИФТРИ. 2001.

25. A. E. Isaev. Precise calibration of hydrophones in laboratory water tank// Proc. Institute of Acoustics/UK. NPL. London. 2003. Vol. 25. Pt. 1. P. 22 41.

26. Исаев А.Е. и др. Абсолютная градуировка гидроакустических измерительных преобразователей в свободном поле в лабораторном бассейне ограниченных размеров// Сб. научн. трудов ВНИИФТРИ «Проблемы и методы гидроакустических измерений»/ М: ВНИИФТРИ. 2003. С. 3 14.

27. Исаев А.Е. Использование амплитудно-фазового распределения акустического поля для определения параметров источников рассеяния, сосредоточенных в окрестности активного элемента градуируемого гидрофона// Труды. ВНИИФТРИ «Проблемы измерения параметров гидроакустических полей и обработки информации»/ М: ВНИИФТРИ. 2005. Вып. 49 (141). С. 236 255.

28. Isaev A.E. Modern measurement techniques in the Russian underwater acoustic standards// CCAUV/05-06 опубликовано в электронном виде на сайте МБМВ: www.bipm.org. 2006.29. Исаев А.Е. Характеристики направленности и эффективный размер гидроакустического модуля при измерениях СКЗ звукового давления в полосах частот// Сб. тр. «Шестая Всероссийская НТК «Метрологическое обеспечение обороны и безопасности в Российской Федерации»/ Мытищи: Союз метрологов и приборостроителей. 2006. С. 97 99.

30. Исаев А.Е. Передаточная функция гидроакустического бассейна и эффективная полоса частот измерений «по полю»// Материалы научн.-техн. конференции ПМГИ 2006 «Проблемы метрологии гидрофизических измерений»/ М: ВНИИФТРИ. 2006. Часть 1. С. 124 133.

31. A. E. Isaev A method to estimate an effective area of the underwater acoustic measuring module under calibration in 1/n-octave frequency band// Proc. of 2nd Intern. Conf. and Exhib. «Underwater Acoustic Measurements: Technologies & Results»/Heraklion, F.O.R.S. 2007. P. 437 444.

32. A. E. Isaev. Two approaches to hydrophone free-field calibration at continuous radiation in water tank with reflections// CCAUV/06-08 опубликовано в электронном виде на сайте МБМВ: www.bipm.org. 2008.

33. Исаев А.Е. Влияние параметров водной среды на погрешность измерений в лабора-торном бассейне // Измерения в гидроакустике и акустике. Труды ВНИИФТРИ/

Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ». 2009. Вып. 57 (149). С. 49 64.

34. Исаев А.Е. Уменьшение погрешности, обусловленной временной нестабильностью гидрофона// Измерения в гидроакустике и акустике. Труды ВНИИФТРИ/

Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ». 2009. Вып. 57 (149). С. 94 101.

35. Исаев А.Е. Проблемы повышения точности измерений, связанные со свойствами гидрофона// Измерения в гидроакустике и акустике. Труды ВНИИФТРИ/ Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ». 2009. Вып. 57 (149). С. 30 34.

36. Исаев А.Е., Матвеев А.Н. Применение метода СКВУ для восстановления частотной характеристики пары излучатель-приемник, существенно неравномерной в частотном интервале взвешенного усреднения// Измерения в гидроакустике и акустике. Труды ВНИИФТРИ/ Менделеево: ФГУП «ВНИИФТРИ». 2009. Вып. 57 (149). С. 77 84.

Размещено на Allbest.ru