Устройство для абсолютной градуировки излучающих и приемных акустических преобразователей

Полезная модель относится к области акустических измерений и может быть использована для абсолютной градуировки акустических преобразователей в широкой полосе частот, позволяя получать частотные зависимости чувствительностей как в режиме излучения для градуируемого излучателя, так и в режиме приема для градуируемого широкополосного приемника звукового давления. Преимущественная область использования - гидроакустика.

Технический результат полезной модели обеспечивается обработкой в устройстве акустических сигналов, формирующихся за счет эффектов взаимодействия и самовоздействия акустических волн конечной амплитуды при распространении в среде с нелинейностью упругих свойств, т.е. генерируемых «виртуальной» излучающей параметрической антенной, которая используется в качестве эталонного излучателя ультразвуковых волн.

Полезная модель относится к области акустических измерений и может быть использована для абсолютной градуировки акустических излучающих и приемных преобразователей в широкой полосе частот. Предлагаемое устройство позволяет получать частотные зависимости чувствительностей как в режиме излучения для градуируемого излучателя, так и в режиме приема для градуируемого широкополосного приемника звукового давления. Расширение частотного диапазона градуировки обеспечивается обработкой в устройстве акустических сигналов, формирующихся за счет эффектов взаимодействия и самовоздействия акустических волн конечной амплитуды при распространении в среде с нелинейностью упругих свойств, т.е. генерируемых «виртуальной» излучающей параметрической антенной, которая используется в качестве эталонного излучателя ультразвуковых волн. Развитая теория параметрической антенны позволяет достаточно точно рассчитать необходимые для градуировки характеристики, в частности, и амплитуды звуковых давлений спектральных компонент полигармонического акустического поля: бигармонической f₁, f₂ накачки средней мощности с близким к гауссову поперечным амплитудным распределением, низкочастотных F=|f₂-f₁| и высокочастотных 2f₁, f₊, 2f₂ сигналов. Преимущественная область использования - гидроакустика.

Известно устройство для относительной градуировки методом сличения электроакустических преобразователей - излучателей звука и приемников звукового давления (см. Справочник по гидроакустике. - Л. «Судостроение», 1982, с.218-219), содержащее генератор непрерывных колебаний, импульсный модулятор, усилитель мощности, первый измеритель амплитуды, излучающий преобразователь, акустически связанный через среду распространения с двумя приемными преобразователями - образцовым и испытуемым, переключатель, предварительный усилитель, полосовой фильтр, временной селектор, второй измеритель амплитуды, регистратор.

Устройство работает следующим образом. На электроакустический преобразователь поступает электрический радиоимпульсный сигнал с заданной амплитудой U1 и частотой f_.i=_i/2 (i=1, 2, , - количество проводимых измерений), перестраиваемой в полосе пропускания, который излучает акустический импульс в среду распространения. Образцовый и градуируемый преобразователи, обладающие чувствительностями по давлению - известной M_0(fi) и неизвестной M_X(fi) соответственно, являются приемниками звукового давления, расположены рядом на акустической оси излучающего преобразователя в его дальней зоне

т.е. на удалении, большем длины дифракционной расходимости l_Д акустического пучка (D=2a - диаметр излучающего преобразователя, _i - циклическая частота i-того возбуждающего сигнала, c₀ - равновесное значение скорости звука в среде). Необходимость выполнения условия (1) определяется тем, что поле излучения источника формируется в результате интерференции волновых процессов, приходящих в место расположения образцового и градуируемого преобразователей от различных участков колеблющейся поверхности излучателя, причем, в ближней прожекторной зоне (зоне Френеля) протяженностью l_Дi при равномерном (поршневом) амплитудном распределении поперек апертуры уровень звукового давления на акустической оси излучателя флюктуирует между минимальным и максимальным значениями (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры - Л.: Судостроение, 1986. - с.92-93.). Образцовый и градуируемый преобразователи преобразуют достигший их акустический импульс в электрические сигналы с амплитудами U_0(fi) и U_X(fi), которые после стробирования, фильтрации и усиления фиксируются вторым измерителем амплитуды и регистратором. Это позволит исследователю для необходимых спектральных составляющих (fi) частотного диапазона измерений рассчитать значения:

1) Чувствительности по давлению в режиме приема для градуируемого преобразователя

2) чувствительности преобразователя в режиме излучения

где P_(fi)=U_0(fi)/M _0(fi) - величины звукового давления в точке приема, измеренные образцовым приемным преобразователем.

Данное устройство имеет недостатки и ограничения в применении:

1) для проведения измерений необходим образцовый приемный преобразователь, причем, точность измерений ограничивается погрешностью выполнения градуировки образцового преобразователя;

2) чувствительность по давлению в режиме приема образцового преобразователя является нестабильной во времени, что требует осуществления его поверки с помощью абсолютных способов;

3) рабочий диапазон частот устройства ограничен рабочими диапазонами как образцового, так и излучающего преобразователей, причем, для работоспособности устройства в широком диапазоне частот необходимо несколько образцовых преобразователей;

4) при проведении относительной градуировки методом сличения соблюдается единство времени проведения измерений, т.к. оба приемника одновременно подвергаются облучению звуком, но не выполняется условие единства места их расположения - это требует учета как направленных свойств излучателя и приемников, так и влияния отражающих поверхностей, что снижает точность измерений;

5) в пределах протяженного участка ближней зоны дифракции излучающего преобразователя применение устройства дает существенную погрешность измерений;

6) не рассмотрена возможность расширения частотного диапазона устройства за счет практического использования нелинейного эффекта самовоздействия в акустическом поле излучающего преобразователя, возникающего при распространении интенсивной звуковой волны, так как полоса пропускания фильтра совпадает только с диапазоном рабочих частот излучающего преобразователя. Между тем, в результате изменения упругих свойств нелинейной водной среды в области распространения мощного акустического сигнала происходит искажение волнового профиля (самовоздействие), т.е. перераспределение энергии интенсивной ультразвуковой волны по частотной оси «вверх» - генерация высших гармонических компонент волны конечной амплитуды (см. Гидроакустическая энциклопедия. - Таганрог, Издательство ТРТУ. 1999, с.389-402).

Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности устройства вследствие отсутствия учета нелинейных упругих свойств водной среды и за счет использования образцового приемного преобразователя, что снижает как точность, так и частотный диапазон измерений.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор непрерывных колебаний, усилитель мощности, измеритель амплитуды, электроакустический излучающий преобразователь, акустически связанный через среду распространения с приемным градуируемым преобразователем.

Известно устройство для абсолютной градуировки приемников ультразвука, которое описано в А.с. СССР 119025, МКИ H04R 29/00, Б.И. 7, 1959 г. «Способ определения частотных и фазовых характеристик приемников ультразвука», содержащее генератор непрерывных колебаний, импульсный модулятор, усилитель мощности, измеритель амплитуды, излучающий преобразователь, акустически связанный через среду распространения с градуируемым приемным преобразователем, временной селектор, осциллограф с фотоприставкой, механический анализатор формы электрического сигнала (анализатор Мадера).

Устройство работает следующим образом. На электроакустический преобразователь поступает электрический радиоимпульсный сигнал с заданной амплитудой U1 и частотой f _.i (i=1, 2, - количество проводимых измерений), находящейся в его полосе пропускания, который излучает мощный акустический импульс в среду распространения, например, в воду. В результате изменения упругих свойств нелинейной водной среды в области распространения мощного акустического сигнала происходит искажение волнового профиля до пилообразной формы (самовоздействие), т.е. перераспределение энергии интенсивной ультразвуковой волны по частотной оси «вверх» - генерация высших гармонических компонент волны конечной амплитуды (см. Гидроакустическая энциклопедия. - Таганрог, Издательство ТРТУ. 1999, с.389-402). Для определения значения чувствительности в режиме приема градуируемый преобразователь располагают в ближней зоне излучателя, в пределах распространения квазиплоской волны накачки, а именно на расстоянии образования «идеальной» пилы, рассчитываемом по формуле

где c₀, ₀ - равновесные значения скорости звука и плотности среды распространения, K - коэффициент (для воды равен 7,15), P - амплитуда звукового давления излучаемой плоской волны. Данное устройство позволяет получать результаты при выполнении следующих условий: градуируемый приемный преобразователь имеет малые размеры по сравнению с поперечным масштабом звукового пучка накачки, находится на акустической оси излучающего преобразователя в его ближней зоне, причем, длина дифракционной расходимости l _Д пучка на частоте накачки значительно превышает длину образования разрыва l_p. Широкополосный градуируемый преобразователь, обладающий чувствительностью по давлению M _X(fi) является приемником звукового давления и преобразует достигший его акустический импульс в электрический радиоимпульсный сигнал с амплитудой U_X(fi), который после стробирования и усиления индицируется на экране осциллографа, причем, форма «пилообразного» высокочастотного заполнения радиоимпульса анализируется с помощью анализатора Мадера.

Механический анализ полученных осциллограмм, в частности, сопоставление со спектральным составом напряжения «идеальной пилы» на частоте накачки, позволяет исследователю для необходимых спектральных составляющих (fi) частотного диапазона измерений рассчитать по полученным соотношениям значения чувствительности по давлению в режиме приема M_X(fi) для градуируемого преобразователя.

Данное устройство имеет недостатки и ограничения в применении:

1) излучающий преобразователь устройства должен быть предварительно отградуирован по чувствительности в режиме излучения в широкой полосе частот;

2) усложняет процесс измерений и снижает его точность то, что при перестройке частоты f_i возбуждения излучающего преобразователя необходимо изменять его уровень излучения с той целью, чтобы расстояние между излучающим и приемным преобразователями оставалось равным l_p (см соотношение (4);

3) обеспечение измерений требует излучения высокоинтенсивных волн накачки, что обусловливает «тяжелый» режим работы пьезокерамики излучателя в условиях повышенных механических и электрических нагрузок, т.е. снижается стабильность ее параметров, надежность и долговечность, может привести к проявлению нелинейной зависимости деформации от электрического возбуждающего поля;

4) погрешность измерений по данному способу обусловлена наличием у реальных нелинейных сред (вода, газы, металлы) частотнозависимых коэффициентов затухания, в результате чего спектральный состав пилообразной акустической волны не будет соответствовать спектру «идеальной пилы».

5) погрешность косвенных измерений амплитуд звуковых давлений в пределах ближней зоны (зоны Френеля) поршневого излучающего преобразователя обусловлена сложным флуктуирующим характером акустического поля: количество переходов от минимума до максимума величины звукового давления зависит от волновых размеров апертуры, при отклонении от оси излучателя распределение амплитуд звукового давления существенно изменяется (см. Кобяков Ю.С., Кудрявцев Н.Н., Тимошенко В.И. Конструирование гидроакустической рыбопоисковой аппаратуры. - Л.: Судостроение, 1986. - с.92-93.);

6) устройство не обеспечивает проведение измерений в низкочастотном диапазоне, являясь пригодным лишь для градуировки широкополосных приемников звукового давления мегагерцового диапазона.

Причинами, препятствующими достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности устройства вследствие учета только нелинейного эффекта самовоздействия мощной акустической волны накачки, что снижает как точность, так и частотный диапазон измерений.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор непрерывных колебаний, усилитель мощности, измеритель амплитуды, электроакустический излучающий преобразователь, акустически связанный через среду распространения с приемным градуируемым преобразователем.

В качестве прототипа выбрано устройство для абсолютной калибровки широкополосных гидрофонов (см. В.Г.Андреев, А.А.Карабутов, О.В.Руденко Метод калибровки широкополосных гидрофонов в ультразвуковых пучках конечной амплитуды. - Вестн. Моск. ун-та, сер.3. Физика, астрономия, 1984, т.25, 4, с 74-77), содержащее генератор непрерывных колебаний, импульсный модулятор, усилитель мощности, измеритель амплитуды, излучающий преобразователь, акустически связанный через среду распространения с градуируемым приемным преобразователем, временной селектор, осциллограф с фотоприставкой, микроскоп.

Устройство работает следующим образом. На электроакустический преобразователь поступает электрический радиоимпульсный сигнал с заданной амплитудой U1 и частотой f_.i (i=1, 2, - количество проводимых измерений), перестраиваемой в его полосе пропускания, который излучает акустический импульс в среду распространения, например, в воду. В результате изменения упругих свойств нелинейной водной среды в области распространения мощного акустического сигнала происходит искажение волнового профиля до пилообразной формы (самовоздействие), т.е. перераспределение энергии интенсивной ультразвуковой волны по частотной оси «вверх» - генерация высших гармонических компонент волны конечной амплитуды (см. Гидроакустическая энциклопедия. - Таганрог, Издательство ТРТУ. 1999, с.389-402). Для излучающего преобразователя выбрано равномерное амплитудное распределением поперек апертуры, так как эффективность генерации высокочастотных компонент спектра в значительной степени обусловлена интенсивностью излучаемой волны накачки, которая задается способностью излучателя концентрировать акустическую энергию в заданном направлении, т.е. его коэффициентом осевой концентрации, величина которого максимальна именно для поршневого источника (см. Справочник по гидроакустике. - Л. «Судостроение», 1982, с.178-190). Конструкции измерительных приемников ультразвука, используемых для исследования высокочастотных акустических полей описаны в литературе. Например, в качестве градуируемого приемного миниатюрного широкополосного приемника может быть использован гидрофон, активный элемент которого изготовлен из пьезокерамической пленки толщиной 10 мкм с поперечным размером 1,1 мм, чувствительность которого не зависит от частоты вплоть до резонанса (до 10 ⁸ Гц), а фазовая характеристика линейна в рабочем диапазоне частот (см. Касьянов Д.А., Курин В.В., Редкозубов В.В. Об одном методе абсолютной калибровки миниатюрных пьезоэлектрических приемников ультразвука // Труды Научной конференции по радиофизике, ННГУ, 2004, с.184-185). Градуируемый преобразователь обладает неизменной чувствительностью по давлению M_X(fi) в широком диапазоне частот (до 6f_i) и в процессе измерений последовательно располагается на акустической оси излучателя для удалений z, изменяемых в пределах (3-15) длин зоны дифракции l_Д . Градуируемый преобразователь, обладающий чувствительностью по давлению M_X(fi) является приемником звукового давления и преобразует достигший его акустический импульс в электрический сигнал с амплитудой U_X(fi), который после стробирования и усиления индицируется на экране осциллографического индикатора, причем, для различных удалений электрические сигналы, соответствующие принятому акустическому с пилообразным волновым профилем, регистрировались на фотопленку. По мнению авторов, параметром, характеризующим степень проявления нелинейных эффектов, является скорость изменения звукового давления со временем на прямолинейном спадающем участке волнового профиля. Измерения угла наклона данного участка профиля производились с помощью микроскопа. Анализ полученных фотографий, в частности, динамика изменения угла наклона фронта пилообразного профиля относительно горизонтальной оси развертки, позволяет исследователю для необходимых спектральных составляющих (fi) частотного диапазона измерений рассчитать по опубликованным в статье соотношениям значения чувствительности по давлению в режиме приема M_X(fi) для градуируемого преобразователя.

Данное устройство имеет недостатки и ограничения в применении:

1) трудоемкость аналитических расчетов чувствительности по давлению в режиме приема M_X(fi) для градуируемого преобразователя;

2) погрешность прямых измерений величин при анализе фотографий пилообразных волновых фронтов;

3) снижение точности проводимых измерений за счет дифракционных погрешностей, появляющихся при механических перемещениях градуируемого преобразователя;

4) обеспечение измерительного режима требует излучения высокоинтенсивных волн накачки (расстояние образования разрыва - от 45 см до 10 см), что обусловливает работу пьезокерамики излучателя в условиях повышенных механических и электрических нагрузок (на пьезодиск диаметром 30 мм с резонансной частотой 1 МГц подавалось до 320 Вольт), т.е. снижает стабильность его параметров, надежность и долговечность;

5) продольный размер гидроакустического канала (от 45 см до 140 см) устройства включает в себя протяженный участок ближней зоны дифракции (40-45 см) излучающего преобразователя, в пределах которого работа устройства затруднена ввиду резкой неоднородности градуировочного ультразвукового поля;

6) условие сравнимости расстояний проявления нелинейных и дифракционных эффектов при работе устройства не обеспечивает проведение измерений в низкочастотном диапазоне (на частотах ниже 200 кГц).

Причиной, препятствующей достижению заявляемого технического результата, являются ограниченные эксплуатационные возможности устройства вследствие использования для градуировки только нелинейного эффекта самовоздействия мощной акустической волны накачки, что уменьшает частотный диапазон измерений.

Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: генератор непрерывных колебаний, усилитель мощности, измеритель амплитуды, электроакустический излучающий преобразователь, акустически связанный через среду распространения с приемным градуируемым преобразователем.

Между тем, в число нелинейных эффектов в мощном акустическом поле, изменяющем свойства водной среды, входит нелинейное взаимодействие нескольких распространяющихся волн конечной амплитуды, например, бигармонической накачки с частотами f₁, f₂ , т.е. формирование «виртуальной» излучающей параметрической антенны, основные положения и выводы теории которой подробно описаны (см. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с). Излучающая параметрическая антенна может быть использована в качестве многочастотного образцового источника, так как позволяет формировать однородное полигармоническое акустическое поле как бигармонической f ₁, f₂ накачки средней мощности с близким к гауссову поперечным амплитудным распределением, так и генерируемых в нелинейной водной среде низкочастотных F=|f₂-f₁| и высокочастотных 2f₁, f₊, 2f₂ компонент спектра, осевые и угловые распределения амплитуд звуковых давлений которых рассчитываются по известным соотношениям (см. Волощенко В.Ю., Тимошенко В.И. Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения. (ч.1) - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - 294 с.).

Задачей полезной модели является расширение эксплуатационных возможностей устройства за счет применения режима параметрического излучения и проведения измерений на нескольких рабочих частотах, что позволит осуществлять абсолютную градуировку акустических преобразователей в режимах как излучения, так и приема.

Технический результат полезной модели заключается в расширении частотного диапазона измерений устройства для абсолютной градуировки акустических преобразователей, позволяющем определять их чувствительности как в режиме излучения, так и приема.

Технический результат достигается тем, что в устройство для абсолютной градуировки приемников ультразвука, содержащее генератор непрерывных колебаний, усилитель мощности, измеритель амплитуды, излучающий преобразователь, акустически связанный через среду распространения с градуируемым приемным преобразователем, дополнительно введены второй генератор непрерывных колебаний, хронизатор-модулятор, широкополосный усилитель, анализатор спектра, решающее устройство и блок управления; выходы обоих генераторов непрерывных колебаний соединены с двумя сигнальными входами хронизатора-модулятора, выход которого соединен со входом усилителя мощности, дополнительный вход хронизатора-модулятора соединен с выходом приемного преобразователя; дополнительный выход хронизатора-модулятора через последовательно включенные широкополосный усилитель, анализатор спектра соединен со входом решающего устройства; управляющие входы обоих генераторов непрерывных колебаний, хронизатора-модулятора, измерителя амплитуды, анализатора спектра и решающего устройства соединены с соответствующими выходами блока управления, причем, излучающий преобразователь формирует в водной среде акустический пучок накачки с близким к гауссовому поперечным распределением амплитуды звукового давления.

Введенные блоки в совокупности с описанными связями позволят расширить эксплуатационные возможности устройства за счет применения режима параметрического излучения и проведения измерений как в низко-, так и в высокочастотном диапазонах, что позволит осуществлять на нескольких рабочих частотах одновременно абсолютную градуировку акустических преобразователей в режимах как излучения (f ₁, f₂), так и приема (f₁, f₂ , F=|f₂-f₁|, 2f₁, f₊ , 2f₂), причем, частоты накачки f₁, f ₂ входят в полосу пропускания излучающего акустического преобразователя.

На фиг.1. представлена структурная схема установки для абсолютной градуировки излучающих и приемных акустических преобразователей, фиг.2 иллюстрирует сопоставление графиков нормированного распределения E_r/E_{r max} электрического поля возбуждающего сигнала (1) поперек излучающей поверхности преобразователя при Д/Т=3 и функции Гаусса (2) при В=0,486, фиг.3 - спектрограмма полигармонического акустического сигнала f₁=415 кГц, f₂=435 кГц, F=|f ₂-f₁|=20 кГц, 2f₁=830 кГц, f ₊=850 кГц, 2f₂=870 кГц (масштаб по оси частот растянут так, что амплитуда сигнала разностной частоты не попадает в поле зрения, вертикальная ось - логарифмическая шкала слева).

Устройство для абсолютной градуировки акустических излучающих и приемных преобразователей в широкой полосе частот (фиг.1) функционально объединяет тракты:

1) излучения - генераторы непрерывных колебаний 1, 2 соединены через последовательно включенные хронизатор-модулятор 3 (канал импульсного модулятора), усилитель мощности 4 с измерителем амплитуды электрического радиоимпульсного сигнала 6 и излучающим электроакустическим преобразователем 5, конструктивное исполнение которого позволяет формировать в водной среде 7 акустический пучок накачки с близким к гауссовому поперечным распределением амплитуды звукового давления;

2) приема - миниатюрный широкополосный приемник звукового давления 8, обладающий линейной частотной зависимостью чувствительности в широком диапазоне частот, соединен через хронизатор-модулятор 3 (канал стробирования в приеме), широкополосный усилитель 10, анализатор спектра 11 с решающим устройством 12;

3) управления функционированием блоков устройства - выходы блока управления 9 соединены с соответствующими управляющими входами генераторов непрерывных колебаний 1 и 2, хронизатора-модулятора 3, измерителя амплитуды 6, анализатора спектра 11 и решающего устройства 12.

Работа устройства для абсолютной градуировки акустических излучающих и приемных преобразователей происходит следующим образом. Генераторы непрерывных колебаний 1 и 2 в излучающем тракте устройства вырабатывают электрические сигналы U1 и U2 с частотами f₁ и f₂, поступающие на вход хронизатора-модулятора 2, приводящегося в рабочее состояние по команде с блока управления 9, в результате чего на выходе хронизатора-модулятора получаем радиоимпульс U3 с бигармоническим ВЧ заполнением. Частоты f₁ и f₂ электрических сигналов U1 и U2, образующих сигнал бигармонической накачки, находятся в пределах полосы пропускания излучающего электроакустического преобразователя 5, и при проведении дальнейших замеров могут синхронно перестраиваться с заданным шагом изменения по команде с блока управления 9. Хронизатор-модулятор 3 предназначен для работы в качестве импульсного модулятора и приемного стробирующего устройства при проведении акустических измерений в импульсном режиме в лабораторных и полевых условиях, разработан на кафедре электрогидроакустики и ультразвуковой техники Таганрогского радиотехнического института (см. Т.Н.Горовая, В.В.Гривцов, М.С.Рыбачек. «Хронизатор-модулятор для акустических измерений», междувед. сборник «Прикладная акустика», Вып.VI, Таганрог, ТРТИ, 1978, С.136-142). Выход хронизатора-модулятора 3 через усилитель мощности 4 соединен со входами как излучающего преобразователя 5, который излучает акустический импульс в среду 7, обладающую нелинейностью своих упругих характеристик, так и измерителя амплитуды 6, с помощью последнего измеряется амплитуда U4_PE3 результирующего сигнала биений (обычно для каждой частот U4(f₁)=U4(f ₂)=U4_PE3/2). При распространении происходит нелинейное взаимодействие и самовоздействие сигналов накачки с частотами f₁, f₂ в канале распространения, результатом которого является генерация вторичных акустических сигналов как разностной F_-=|f₂-f₁ |, так и суммарной f₊=f₂+f₁ частот, вторых гармоник 2f_{1, 2} волн накачки.

В настоящее время разработаны преобразователи с гауссовым распределением амплитуды звукового давления у излучающей поверхности, конструкционными особенностями которых является использование пьезокерамических пластин с сигнальным электродом как сложной формы: - различные звезды, спирали (см. Hidchins D.A. Field structures of disk transducers with specialized electrode configurations file:////Ultrason.Int.83: Conf. Proc., Halifax, Borough Green, 1983, P.307-312; Кравченко Г.Ф., Максимов B.H. Ультразвуковой преобразователь с регулируемыми распределениями амплитуд смещения // Междувед. тематич. сб. научн. работ. Прикладная акустика. - Таганрог: ТРТИ, 1983. - Вып.10 - с.124-130); - раздельные концентрические кольца, возбуждаемые различными по амплитуде электрическими сигналами, аппроксимирующими гауссово распределение (Zerwekh P.S., Claus R.D. Ultrasonic transducer with Gaussian radial pressure distribution // Proc. IEEE Ultrason. Symp., 1981, 2, P.974-976; 103), так и простой формы: - круг, полоса, который расположен симметрично относительно геометрического центра пьезоэлемента, что создает требуемое поперечное распределение электрического возбуждающего сигнала (Martin F.D., Breazeale М.А. A simple way to eliminate diffraction lobes emitted by ultrasonic transducers // J. Acoust. Soc. Amer., 1971, v.49, 5, p.2, P.1668-1669; Breazeale M.A., Martin F.D., Blackburn B. Reply to "Radiation pattern of partially electroded piezoelectric transducers" // J. Acoust. Soc. Amer., 1981, v.70, 6, P.1791-1793; Du G., Breazeale M.A. Ultrasonic field of a Gaussian transducer // J. Acoust. Soc. Amer., 1985, v.78, 6, P.2083-2086). В последнем источнике описано техническое решение - акустический пучок с близким к гауссовому поперечным распределением амплитуды звукового давления может быть сформирован в водной среде осесимметричным излучателем, на излучающей поверхности которого создано требуемое распределение электрического поля возбуждающего сигнала, достаточно хорошо описываемое гауссовой функцией ~ ехр(-B·r²/a²), где B=0,486 - коэффициент Гаусса. Данное распределение электрического поля возбуждающего сигнала образуется на излучающей поверхности преобразователя накачки при соблюдении следующего условия: отношение диаметра Д=2a сигнального электрода к толщине T пьезопластины должно быть в пределах 2<Д/Т<4. На фиг.2 представлено сопоставление графиков нормированного распределения E_r/E_{r max} электрического поля возбуждающего сигнала (1) поперек излучающей поверхности антенны при Д/Т=3 и функции Гаусса (2) при B=0,486, из которого следует их хорошее соответствие. Здесь по горизонтальной оси отложены значения нормированной поперечной координаты r/ a на излучающей поверхности антенны, где a - радиус сигнального электрода.

Полигармонический акустический сигнал с частотами f₁, f₂, F_- =|f₂-f₁|, f₊=f₂+f ₁, 2f₁, 2f₂, генерируемый «виртуальной» излучающей параметрической антенной, которая используется в качестве образцового излучателя данных сигналов, достигает градуируемого широкополосного приемника 8 звукового давления. Конструкции широкополосных измерительных приемников ультразвука, используемых для исследования акустических полей описаны в литературе (см. Chivers R.C., Lewin Р.А. The voltage sensitivity of miniature piezoelectric plastic ultrasonic probes // Ultrasonics, 1982, v.20, 6, P.279-281, Lewin P.A. Calibration and performance evaluation of miniature ultrasonic hydrophones using time delay spectrometry // Ultrason. Symp. Proc, Chicago, 1981, v.1, P.660-664,. Markiewicz A., Chivers R.C. Typical errors in using finite miniature ultrasonic probes for far field measurements // Ac.Let, 1983, v.6, 10, P.142-147, Jones S.M., Carson P.L., Banjavic R.A., Meyer C.R. Simplified technique for the calibration and use of a miniature hydrophone in intensive measurements // J. Acoust. Soc. Amer., 1981, v.70, 5, P.1220-1228.). Градуируемый преобразователь 8 обладает чувствительностью по давлению M(f₁, f₂, F_-, f₊, 2f₁, 2f₂) в широком диапазоне частот и располагается на акустической оси излучателя на удалении z, составляющем несколько длин зоны дифракции l_Д, например, на расстоянии z₀=4·l _Д=4·l_Д1(f₀/f₁)=4·l _Д2(f₀/f₂). Градуируемый преобразователь 8 является приемником звукового давления и преобразует достигший его акустический импульс в электрический сигнал с амплитудой U5, который после стробирования (канал стробирования в хронизаторе-модуляторе 3) и усиления (широкополосный усилитель 10) индицируется на экране анализатора спектра 11 (фиг.3) в виде отдельных спектральных составляющих с амплитудами U(F_-), U(f₁), U(f₂), U(2f₁), U(f₊), U(2f ₂), отсчет величин которых можно произвести по вертикальной шкале. Таким образом, излучающая параметрическая антенна, образованная акустическими пучками средней интенсивности, в которой используется электроакустический преобразователь накачки с близким к гауссову поперечным распределением электрического сигнала возбуждения, формирует в нелинейной водной среде нескольких акустических сигналов с рассчитываемыми характеристиками в широком диапазоне частот, что может позволить одновременно провести градуировку как приемного преобразователя, так и излучающего преобразователя накачки.

При распространении акустических сигналов конечной амплитуды с частотами f₁, f₂, осевые распределения амплитуд звуковых давлений, которых описываются соотношениями (см. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. - Л.: Судостроение, 1981. - 264 с)

в нелинейной среде будет происходить искажение их волновых профилей, т.е. за счет самовоздействия в спектрах акустических сигналов появятся вторые гармонические компоненты с частотами 2f₁, 2f₂. Амплитуды звуковых давлений вторых гармоник на акустической оси преобразователя накачки 5 описываются соотношениями (см. Волощенко В.Ю., Тимошенко В.И. Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения. (ч.1) - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - 294 с.)

Нелинейное взаимодействие сигналов накачки в канале распространения также приводит к генерации комбинационных акустических сигналов как разностной F_-=|f₂ -f₁|, так и суммарной f₊=f₂+f ₁ частот, амплитуды звуковых давлений которых на акустической оси преобразователя накачки 5 описываются соотношениями

В (5)-(8) и последующих соотношениях: - коэффициент нелинейности среды распространения; ₀, c₀ - равновесные значения плотности и скорости звука в воде, кг/м³ и м/с; Z_H1 =z/l_Д1=(z/l_Д)(f₀/f₁ )=Z_H(f₀/f₁); Z_H2=z/l _Д2=(z/l_Д)(f₀/f₂)=Z _H(f₀/f₂) - нормированные продольные осевые координаты акустических пучков накачки; l_{Д1, 2} =a²_{1, 2}/2c₀, l_Д1=l_Д (f₁/f₀), l_Д2=l_Д(f ₂/f₀) - расстояния дифракции (длины ближних зон) излучающего преобразователя 5 для акустических сигналов с циклическими частотами _{1, 2}=2·f_{1, 2}, м; a - радиус излучателя, м; (f₁), (f₂), (2f₁), (2f₂), ₊, _- - коэффициенты затухания акустических сигналов с частотами f₁, f₂ и 2f₁, 2f ₂, суммарной f₊ и разностной F_- частот, Нп/м; p₀₁, p₀₂ - амплитуды звукового давления сигналов накачки с частотами f₁, f₂ у поверхности излучателя, Па; ₊=2·f₊=2·(f₁+f₂)=4·f₀, рад/с; l_Д=a ²₀/2c₀ - длина области дифракции Френеля для сигнала с центральной частотой накачки f₀=(f ₁+f₂)/2, м; Z_H=z/l_Д - нормированная продольная осевая координата z; =2·F=2(f₂-f₁), рад/с; L_Д= a²/4c₀ - длина области дифракции Френеля для волны разностной частоты, м.

Как следует из представленной информации об амплитудах гармонических компонент с частотами f₁, f₂, 2f₁, 2f₂ (фиг.3), осуществляющий градуировку исследователь может изменять уровень радиоимпульса U4_PE3 до тех пор, пока отношения U(2f₁)/U(f₁), U(2f₂)/U(2f ₂) амплитуд электрических сигналов, соответствующих выделенным составляющим, для некоторой дистанции, например, z₀ =4·l_Д=4·l_Д1(f₀/f ₁)=4·l_Д2(f₀/f₂) не станут равными числам Ф₁ и Ф₂, которые меньше 0,2. В этом случае в представленных ниже соотношениях безразмерные координаты на акустической оси можно выразить и так:

Z_H0=z₀/l_Д =4, Z_H01=Z_H0(f₀/f₁ )=4(f₀/f₁), Z_H02=Z_H0 (f₀/f₂)=4(f₀/f₂),

, .

Полученная информация поступает на вход решающего устройства 12, с помощью которого рассчитывают чувствительности в режиме излучения по давлению (преобразователь 5) и чувствительности в режиме приема по давлению (преобразователь 8) для сигналов с частотами f₁, f₂, 2f₁, 2f ₂ по соотношениям (13)-(15), которые можно получить следующим образом:

,

,

откуда

Подставив выражения (9), (10) в (5), (6), получим

Так как напряжения U(f₁), U(f₂), U(2f₁), U(2f₂) известны, то можно рассчитать чувствительности D₂, D₁ излучающего преобразователя 5 по давлению для частот f₁D₁=2p₀₁/U4_РЕЗ, f₂D₂=2p₀₂/U4_РЕЗ и чувствительности градуируемого преобразователя 8 в режиме приема M(f₁ )=U(f₁)/P_(f1), M(2f₁)=U(2f ₁)/Р_(2f1), M(f₂)=U(f₂)/Р _(f2), M(2f₂)=U(2f₂)/Р_(2f2) по давлению для частот f₁, f₂, 2f ₁, 2f₂:

,

Излучающий электроакустический преобразователь 5 обладает собственной резонансной частотой f₀, добротность Q и полосой пропускания f, которые связаны соотношением: f=f₀/Q, причем, бигармонический режим возбуждения и нелинейность среды приводит к увеличению в четыре раза его результирующей рабочей полосы - /f_НЧ=F_-=f, f_ВЧ=2f=2f₂-2f₁, f=f₂-f₁ за счет генерации сигналов в низко- и высокочастотном диапазонах. Описываемое устройство позволяет последовательно проводить описанные выше измерения чувствительности D₂, D₁ излучающего преобразователя 5 по давлению и чувствительности градуируемого преобразователя 8 в режиме приема для результирующего частотного диапазона при симметричном относительно резонансной f₀ изменении частот f₁, f₂ (f₁ - уменьшение, f₂ - увеличение) электрических сигналов, формируемых генераторами 1, 2, при поступлении на их управляющие входы соответствующих сигналов с блока управления 9. Как следует из фиг.3, уменьшение величины разностной частоты F=|f₂-f₁| приводит к «сближению» спектральных составляющих вторых гармоник 2f₁, 2f₂, в то время как расположение спектральной составляющей суммарной частоты f₊=(f₁+f ₂)/2=2f₀ на горизонтальной оси остается неизменным. Это дает основание утверждать - если первый этап измерений производится для наименьшей разностной частоты F_min=|f₂ -f₁|_min, то величины чувствительностей градуируемого преобразователя 8 в режиме приема (15) для частот f₊=f_2min+f_1max=2f₀ , 2f_1max, 2f_2min практически одинаковы, т.е. M(2f_1max)=U(2f₁)/P_(2f1)M(2f_2min)=U(2f₂)/P_(2f2)M(f₊)=U(f₊)/P₊. В данном случае для дистанции z₀=4·l_Д=4·l _Д1(f₀/f₁)=4·l_Д2(f ₀/f₂), l_Д=a²₀/2с₀ - (Z_Н0=z₀ /l_Д=4, Z_H01=Z_H0(f₀ /f_1max)=4(f₀/f_1max), Z_H02 =Z_H0(f₀/f_2min)=4(f₀ /f_2min),

соотношение (15) примет вид

Чувствительность градуируемого преобразователя 8 в режиме приема M(F_-) для низкочастотного диапазона акустических измерений производится на сигнале разностной частоты F_-=|f₂-f₁|. Важной характеристикой «виртуальной» излучающей параметрической антенны, иллюстрирующей эффективность генерации низко- (F_-=|f₂-f ₁|) и высокочастотных (f₊=(f₁+f ₂)/2=2f₀) компонент спектра в водной среде 7, могут служить коэффициенты преобразования по давлению _Р± (см. Волощенко В.Ю., Тимошенко В.И. Параметрические гидроакустические средства ближнего подводного наблюдения. (ч.1) - Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2009. - 294 с.):

Данные характеристики эффективности нелинейной генерации рассматриваемых сигналов - пространственные зависимости отношений амплитуд звуковых давлений сформировавшейся в среде спектральной компоненты и исходного сигнала накачки для акустической оси излучающей параметрической антенны, вычисленные при соответствующих удалениях от преобразователя накачки 5. Напомним, что расстояния дифракции для волн суммарной и разностной частот определяются соотношениями l_Д+=a²₊/4c₀=(l_Д1+l_Д2 )/2l_Д=a²₀/2с₀ и L_Д=a ²/4c₀. Таким образом, симметричное изменение частот исходных волн f₁ (уменьшение) и f₂ (увеличение) относительно центральной резонансной частоты f ₀=(f₁+f₂)/2=f₊/2 электроакустического преобразователя 5 в пределах его полосы пропускания обусловит изменение величин длин дифракции волн конечной амплитуды с частотами f₁, f₂ (f₁<f₂), причем, постоянной величиной останется только длина ближней «прожекторной» зоны для волны суммарной частоты L_Д+=а ²₊/4c₀=(l_Д1+l_Д2 )/2l_Д. Каждое соотношение (17) и (18) содержит три сомножителя, первые из которых определяются параметрами акустического поля накачки и среды распространения, вторые - дифракционными процессами для компонент спектра излучения параметрической антенны, третьи - затуханием акустических сигналов. Используя соотношения для волновых чисел акустических сигналов суммарной и разностной частот К₊=₊/c₀=2/D₊ и K_-=/c₀=2/, а также связь L_Д=(/2₀)·l_Д, представим первые сомножители в следующем виде

Из (19) видно, что эффективность нелинейной генерации компонент спектра излучения параметрической антенны определяется количеством длин волн соответствующих волновых процессов, укладывающихся на длине дифракции волны накачки с центральной циклической частотой ₀, т.е. количеством вторичных виртуальных источников, генерирующих соответствующую спектральную компоненту в общем водном объеме соосных акустических пучков средней интенсивности. Учитывая, что (L_Д/l_Д)=(F_-/f ₊)=(₊/), запишем отношение коэффициентов преобразования по давлению (17) и (18) в следующем виде

Из (20) видно, что именно данный параметр - соотношение длин волн формирующихся компонент спектра излучения и длины «прожекторной зоны» электроакустического преобразователя 5 накачки параметрической антенны - определяет существенность различий в эффективности нелинейной генерации данных сигналов, причем, отношение коэффициентов преобразования по давлению прямо пропорционально отношению звуковых давлений сигналов суммарной и разностной частот соответственно. Учитывая, что M(f₊ )=U(f₊)/P₊, M(F_-)=U(F_- )/P_-, левую часть (20) можно записать:

где для градуируемого преобразователя 8 чувствительность по давлению M(f₊) определяется соотношением (16): M(2f_1max)-M(2f_2min)=M(f ₊). Градуируемый приемный преобразователь 8 находится на акустической оси излучающего преобразователя 5 на удалении z, составляющем, z₀=4·l_Д=4·l _Д1(f₀/f₁)=4·l_Д2(f ₀/f₂), Z_H0=4, Z_H01=Z _H0(f₀/f₁), Z_H02=Z _H0(f₀/f₂).

В данном случае правую часть соотношения (20) - отношение коэффициентов преобразования по давлению можно рассчитать

амплитуды спектральных составляющих U(F_-), U(f₊) измеряются экспериментально, в результате чего из (21) вычисляется для градуируемого преобразователя 8 чувствительность по давлению M(F_-).

Предлагаемое устройство позволяет получать частотные зависимости чувствительностей как в режиме излучения для градуируемого излучателя 5, так и в режиме приема для градуируемого широкополосного приемника звукового давления 8. Расширение частотного диапазона градуировки обеспечивается обработкой в устройстве акустических сигналов, формирующихся за счет эффектов взаимодействия и самовоздействия акустических волн конечной амплитуды при распространении в среде с нелинейностью упругих свойств, т.е. генерируемых «виртуальной» излучающей параметрической антенной, которая используется в качестве эталонного излучателя ультразвуковых волн. В отличие от прототипа измерительный режим устройства не требует излучения высокоинтенсивных волн накачки, что обусловливает стабильную и надежную работу пьезокерамики излучателя 5, обеспечивая его долговечность, использование акустического пучка бигармонической накачки с близким к гауссовому поперечным распределением амплитуды звукового давления обусловливает отсутствие неоднородности градуировочного ультразвукового поля в пределах гидроакустического канала устройства.

Устройство для абсолютной градуировки излучающих и приемных акустических преобразователей, содержащее генератор непрерывных колебаний, усилитель мощности, измеритель амплитуды, излучающий преобразователь, акустически связанный через среду распространения с градуируемым приемным преобразователем, отличающееся тем, что в него дополнительно введены второй генератор непрерывных колебаний, хронизатор-модулятор, широкополосный усилитель, анализатор спектра, решающее устройство и блок управления, причем выходы обоих генераторов непрерывных колебаний соединены с двумя сигнальными входами хронизатора-модулятора, выход которого соединен со входом усилителя мощности, дополнительный вход хронизатора-модулятора соединен с выходом приемного преобразователя, дополнительный выход хронизатора-модулятора через последовательно включенные широкополосный усилитель, анализатор спектра соединен со входом решающего устройства; управляющие входы обоих генераторов непрерывных колебаний, хронизатора-модулятора, измерителя амплитуды, анализатора спектра и решающего устройства соединены с соответствующими выходами блока управления, причем излучающий преобразователь формирует в водной среде акустический пучок накачки с близким к гауссовому поперечным распределением амплитуды звукового давления.