Способ градуировки гидрофонов методом пьезоэлектрической компенсации в камере малого объема и устройство для его осуществления

)5 Н 04 В 29/00 с Я.,И БРЕТЕ ИСА К АВТОРСКО ИДЕТЕЛ ЬСТВУ ерительам и сповзаимност щийся в э тимого пр обратимо гидрофон лучателя и Известеной чувствит ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР%4453238 кл, Н 04 й 29/ОО 1984Исаев А.А. Федоровский Ю, Измерительные комплексы для градуировки гидро- фонов в диапазоне частот 0,01-4000 Гц,; Сборник научных трудов "Метрологические проблемы гидрофизических и гидроакустических измерений". - М.: НПО" ВНИИФТРИ",1990, с. 23-26.(54) СПОСОБ ГРАДУИРОВАНИЯ ГИДРО- ФОНОВ МЕТОДОМ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ В КАМЕРЕ МАЛОГО ОБЪЕМА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯф 7) Использование: измерительная техника. Цель - повышение быстродействия и информативности, Сущность изобретения: при градуировке гидрофонов по методу пьезоэлектрической компенсации в камере малого объема предварительно.дополнительно электрически возбуждают нуль-орган фиксируемым напряжением, иэИзобретение относится к и ной технике, а именно, к устройс сабам градуировки гидрофонов. особ. определения комплекьности гидрофона методом меряют комплексное зачение амплитуды сигнала на нуль-индикаторе, снимают апряжение возбукдения и дополнительно электрически возбуждают иэлу атель напряжейием, измеряют комплексное значение амплитуды сигнала на нуль-индикаторе и рассчитывают комплексное значение отношения амплитуд сигналов а на нуль-индикаторе, одновременно электрически возбуждают нуль-орган фиксируемым напряжением, равным первоначальной величине напряжения, умноженной на величину ) й, измеряют напряжение холостого хода на гидрофоне, измеряют его ток короткого замыкания, рассчитывают комплексное значение чувствительности по напряженио, рассчитывают комплексное значение чувствительности по заряду, рассчитывают комплексное значение выходного импеданса гидрофона по формуле, Устройство содержит камеру малого обьема, нуль-орган, нуль-индикатор, излучатель, гидрофон,4 переключателя, предварительный усилитель, преобразователь тока в напряжение, усилитель мощности, аттенюатор,2 аналого-цифровых преобразователя, задающий генератор, фаэовращатель, блок управления и вычисления, 2 с.п.ф-лы, 1 ил. и в свободном поле, заключаюектрическом возбуждении обраеобразователя, измерении тока о преобразователя и напряжения , электрическом возбуждении изгидрофона, расчете комплекснойчувствительности по результатам измерений.Известно устройство определения комплексной чувствительности гидрофона методом взаимности в свободном поле, содержащее обратимый преобразователь, прибор для измерения тока обратимогопреобразователя и напряжений, излучатель., гидрофон, предварительные усилители, генератор, усилитель мощности, вычислительное устройство, коммутатор и согласующие устройства.Однако известные способ и устройство позволяют производить градуировку гидро- фона только на частотах свыше 3 кГц,Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ градуировки гидрофонов. реализующий метод пьезоэлектрической компенсации в камере малого объема, заключающийся в одновременном электрическомвозбуждении нуль-органа и излучателя, фиксации минимального напряжения на нуль-индикаторе, подборе амплитуды и фазысигнала, подаваемого на излучатель для обеспечения условия компенсации, измерении напряжения компенсации на нуль-органе, измерении напряжения на гидрофоне в момент компенсации, расчете чувствительности гидрофона по следующей формуле: г 0 Ук Ок10 15 20 30 35 40 45 50 55 где Ог- напряжение, измеряемое на выходе гидрофона в момент компенсации, Ок - напряжение компенсации, Мк - константа компенсационного преобразователя, определяемая гидростатическим методом на частоте 0,2 Гц,Поддерживая на нуль-органе постоянное напряжение компенсации, измеряют значение напряжения на гидрофоне на каждой частоте частотного диапазона,Известно устройство для градуировки гидрофонов по методу пьезоэлектрической компенсации в камере малого объема, включающее нуль-орган, нуль-индикатор, излучатель в камере малого объема и гидрофон, а также предварительный усилитель, последовательно соединенные усилитель мощности, аттенюатор и по второму выходу фазовращатель, к входу которого подключен задающий генератор; предварительный усилитель, переключатель, к первому и второму входам которого подключены гидрофон и нуль-орган соответственно, аналого-цифровой преобразователь и устройство управления и вычисления, соединенное управляющей шиной с переключателем, аналого-цифровым преобразователем, генератором, фазовращателем, аттенюатором.Кроме того, излучатель подключен к выходу усилителя мощности, а нуль-индикатор - к входу второго предварительного усилителя и далее к аналого-цифровому преобразователю. Нуль-орган подключен также к первому выходу фазовращателя. В качестве аналого-цифрового преобразователя используется осциллограф С 9-8. В качестве задающего генератора и фазовращателя используется генератор Гб - 33. Устройство управления и вычисления реализовано с помощью диалогового вычислительного комплекса. Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что они не обеспечивают высокого быстродействия процесса градуировки из-за наличия операций подбора амплитуды и фазы сигнала, подаваемого на излучатель и отсутствием возможности определения комплексных значений чувствительности не только по напряжению, но и по заряду, а также комплексного значения выходного импеданса гидрофона, что значительно снижает информативность, а значит и качество градуировки.Целью изобретения является повышение быстродействия путем исключения операций подбора и расширение информативности.Поставленная цель достигается тем. что в способе градуировки гидрофонов, реализующем метод пьезоэлектрической компенсации в камере малого объема, заключающемся в том, что одновременно электрически возбуждают нуль-орган фиксируемым напряжением и излучатель, измеряют напряжение холостого хода на гидрофоне и рассчитывают чувствительность гидрофона по напряжению согласно изобретению, предварительно дополнительно электрически возбуждают нуль-орган фиксируемым напряжением, измеряют комплексное значение амплитуды сигнала на нуль-индикаторе, снимают напряжение возбуждения и дополнительно электрически возбуждают излучатель напряжением. измеряют комплексное значение амплитуды сигнала на нуль-индикаторе и рассчитывают комплексное значение отношения сигналов а на нудь-индикаторе, кроме того, величину напряжения возбуждения излучателя при одновременном возбуждении нуль-органа выбирают равной первоначальной величине напряжения, умноженной на величинуй, а также после измерения напряжения холостого хода на гидрофоне, измеряют его ток короткого замыкания, а при расчете чувствительности по напряжению рассчитывают комплексное ее значение по формуле:где Мк - константа компенсационного преобразователя,Ог - комплексное значение напряжения на гидрофоне,Оно - комплексное значение напряжения на нуль-органе,дополнительно рассчитывают комплексное значение чувствительности по заряду о соответствии с формулой:ЮК2 ЛМкОногде 1 г - комплексное значение тока короткого замыкания гидрофона,1 - частота градуировки,дополнительно рассчитывают комплексное значение выходного импеданса гидро- фона в соответствии с формулой;ОЕг =- -Поставленная цель достигается тем, что в устройство для градуирооки гидрофоноо по методу пьезоэлектрической компенсации в камере малого обьема. включающее нуль-орган, нуль-индикатор, излучатель в камере малого объема и гидрофан, а также предварительный усилитель, последовательно соединенные по второму выходу фазовращатель, аттенюатор и усилитель мощности, кроме того задающий генератор, подключенные к входу фазовращателя, предварительный усилитель, переключатель, к первому и второму оходам которого подключены гидрофон и нудь-орган соответственно, аналого-цифровой преобразователь и устройство управления и вычисления, соединенное управляющей шиной с переклачателем, аналого-цифровым преобразователем, задающим генератором, фазавращателем, аттенюатаром, согласно изобретению введены преобразователь тока в напряжение, дополнительные первый, второй, третий переключатели и дополнительный аналого-цифровой преобразователь, причем выход нуль-индикатора подключен к третьему входу переключателя, второй вход которого подключен к входутеля и первому выходу Фазооращателя,5 кроме того, выход переключателя подклюпервого - с входом и выходом преобразователя тока в напряжение соответственно, первый и третий оыходы - входом н выходом предвари ельного усилителя соответственно, при этом выход усилителя мощности подключен через первый дополнительный переключатель к излучателю, а устройство управления и вычисления подключено управляющей шиной к каждому дополнительному переключателю и дополнительному аналого-цифровому преобразователю,Введение дополнительных переключателей и аналого-цифрового преобразователя, а также преобразователя тока в напряжение и соответствующих связей их с другими элементами устройства позволило обеспечить, согласно способу, предварительное дополнительное возбуждение нуль- органа, а затем излучателя, измерение комплексного значения амплитуд сигнаггао на нуль-индикаторе, расчет комплексного значения отношения этих амплитуд, выбор напряжения возбуждения излучателя при одновременном возбуждении .нуль-органа равной первоначальной и умноженной на 1 а, измерение тока короткого замыкания и расчет комплексных значений чуосточтелькости как по напряжению, так по заряду, а также расчет комплексного значения выходного импеданса и тем самым достижения цели изобретения.Изобретение поясняются чертежом.Устройство для градуиравки гидрофонав содержит камеру 1 малого обьема, включающую в себя нуль-индикатор 2, нуль- орган 3, излучатель 4, а также градуируемый гидрофон 5, устанавливаемый внутри камеры 1, кроме того, переключатель, 6, дополнительные первый переключатель 7, отарой переключатель 8, трегий переключатель 9, предварительный усилитель 10, преобразователь 11 тока в напряжение, усилитель 12 мощности, аттенюатор 13, аналого-цифровой преобразооатель 14, дополнительный аналого-цифровой преобразователь 15, задающий генератор 16, фазовращатель 17 и устройство 1 о управления и вычисления. Выходы нуль-индикатора 2, нуль-аргана 3 и гидрофона 5 подключены к третьему, второму и первому входам переключателя 6 соответственно. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 третьего дополнительного перекл оц.-толя, выход которого подключен к входу дополнительного аналого-цифрооага преобразооачен к первому входу второго дополнительного переключателя, второй вход которого соединен с входом аналого-цифрооого преобразователя, второй и четвертый выходы1775875 г ю г Оъи-но=07. ни-но " =ни.ноЕ (1)гни-ногде О 7, - амплитуда комплексного напряжения, р- его фаза.Далее третий дополнительный переключатель 9 отключается, и напряжение возбуждения с второго выхода фазовращательный переключатель 7 подается на излучатель 4, Принимаемый сигнал с выхода нуль-индикатора 2 через переключатель 6 и второй дополнительный переключатель а подается на преобразователь 11 и далее нэ 15 20(5) После вычисленийсустройства 18 подается сигнал на фазовращатель 17, увеличивающий сдвиг фаз на его выходах на величину л - а, и на аттенюатор 13, уменьшающий его коэффициент затухания в а раэ. Затем замыкается переключатель 7 и напряжения возбуждения подаются одновременно на нуль-орган 3 и излучатель 4, Переключая соответственно переключатель 6, снимается напряжение на выходе нуль- органа 3 и гидрофона 5. Измеряется комплексное значение напряжения Оно нуль-органа 3, При этом второй дополнительный переключатель а переключается в верхнее положение. При этом подключается предварительный усилитель 10, и сигнал через АЦП 14 поступает на устройство 18 управления и вычисления, Аналогично измеряется комплексное значение напряжения Ог на выходе гидрофона 5. Затем второй дополнительный переключатель 8 переводится в нижнее положение, а переключатель 6 подключается к гидрофону 5, и измеряется комплексное значение тока короткого замыкания 1. При этом подключен к переключателю 8 преобразователь 11 тока в напряжение. Далее в устройстве 18 управления и вычисления производится расчет Излучатель 4 через первый дополнительный переключатель 7 соединен с выходом усилителя 12 мощности, которыйпоследовательно соединен через аттенюатор 13 с вторым входом фазовращателя 17, 5вход которого соединен с выходом задающего генератора 16, Второй вход переклю- теля 17 через аттенюэтор 13, усилитель 12 чателя 6 соединен через третий мощности и включенный первый дополни- дополнительный переключатель 9 с первымвыходом фазовращателя 17 и входом дополнительного аналого-цифрового преобразователя 15, выход переключателя 6подключен к первому входу второго дополнительного переключателя 8, второй входкоторого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 14, первый и третийвыходы - с входом и выходом предварительного усилителя 10 соответственно, а второйи четвертый выходы - с входом и выходомпреобразователя 11 тока в напряжение соответственно, Управляющая шина устройства 18 управления и вычисления значение отношения сигналовподключена к.управляющим входам переключателей 6, 7, а, 9, аналого-цифровым г Ц.ни - но ни-нопреобразователям 14,1 б,генератору 1 б,фа. 2 б Оанн - 1 ни-гзовращателю 17 и аттенюатору 13.При этом предварительный усилитель ОЕни - но10 имеет яозффициент усиления К, а преоб- гйе гг =ОЕни-иразователь 11 тока в напряжение имеет импеданс преобразования Е и предназначен 30для преобразования тока в напряжение Ог,равноех Е.Устройство работает следующим образом. Синусоидальное фиксированное напряжение возбукдения на установленной 35частоте градуировки с выхода задающегогенератора 16 подается на фазоврэщатель,17, с первого выхода которого подается навход дополнительного аналого-цифровогопреобразователя 15 и через включенный 40третий дополнительный переключатель 9 нануль-орган 3. Принимаемый сигнал ток короткого замыкания )ни-но) с выхода нуль-индикатора 2 через переключатель 6 и второйдополнительный переключатель а выход 2) 45подается на вход преобразователя 11 тока внапряжение, с выхода которого через второй дополнительный переключатель а вход2) подается нэ аналого-цифровой преобразователь 14, который как и дополнительный 50аналого-цифровой преобразователь 15 преобразует аналоговые сигналы в цифровуюформу и передают их в устройство 18 управления и вычисления, которое производитодноточечное дискретное преобразование 55Фурье (ОДПФ) обоих сигналов и, таким образом, определяется амплитуда сигнала навыходе преобразователя 11 и фаза относительно опорного напряжения, снимаемого свторого выхода фазовращателя 17, т.е.комплексного значения чувствительности по напряжению в соответствии с формулой: Мга2 г 1МОно комплексных значений сигналов нуль-индикатора 2 при последоватепьнам возбуждении нуль-органа 3 и излучателя 4.м-и( ) Измерение комплексного напряжениям и. 5 холостого хода на выходе гидрафана позволяет, определить комплексное значение чувгде М - константа компенсационного пре- ствительности гидрофона по нап ряжению, а образователя, измерение комплексного значения тока коОг-комплексноеэначениенапряжения роткого замыкания позволяет рассчитать10 чувствитель ость гидрофона по заряду и егоОно - комплексное значение напряже- выходной импеданс.ния на нуль-орган 3, Заявляемые способ и устройство были а также дополнительно рассчитывается реализованы на установке, содержащей какомплексное значение чувствительности по мерумалогообьема 1, выполненную, напри- заряду в соответствии с формулой: 15 мер, по АС, М 769766. Конструкциягидрофона 5 и предварительного усилителя 10 решена традиционно. В качестве преобразователя 11 така в напряжение возможно использование технического решения вгде 1 г - комплексное значениетока коротко журнале "Электроника", США, 1988, М 1, с, го замыкания гидрофона 5, Г - частота градуировки, Аналого-цифровые преобразователи и комплексное значение выходного импе, 15 Реализованы на базе осциллографа данса гидрофона 5 по формуле С 9-8 с использованием его каналов А и Б.125 Задающий генератор 16 и фазовращатель /Огг= (8)17 реализованы на базе генератора специГ ( ) альной формы Г 6-33, В качестве устройства18 управления и вычисления использовалсяОписанная выше работа устройства от- ДВК 3 М 2. В качестве переключателей исражает пример осуществления способа гра пользовались электромагнитные реле РЭС - дуировки по методу пьезоэлектрическойкомпенсации, основанному на одновременИспользование предлагаемых способаном соответствии между давлением в ка- и устройства для градуировки гидрофонов мере и амплитудой напря)кения обеспечивает по сравнению с существую- компенсации, подаваемого на нуль-орган 35 щими аналогами следующие преимущества: в момент торможения механических коле 1. Не менее чем в 1,5 раза повыи аетсябаний нуль-органа. При этом напряжение быстродействие градуировки. Эксперименна выходе нуль-индикатора минимальное. тальная установка производит градуировку Для установления этого соответствия про- гидрофонов в диапазоне 1 Гц до 3,15 кГц изводят расчет величины неабхадимаго 40 через 1/Зоктавыза 17 минут.Автоматическая изменения амплитуды и фазы напряже- установка предшествующего поколения, нания, подаваемого на излучатель. Расчет . пример, Установка "ИзмерениеУ", ПО "Ахвеличины изменения напряжения на излу- туба, Волгоград, производит градуировку чателе основывается на том, что для получе- гидрофонов в диапазоне от 10 Гц да 3,15 кГц ния минимума напряжения на выходе 45 более чем за 20 мин.нуль-индикатора, суммируемые сигналы, 2. Расширение функциональных возвоэникающие ат возбуждения излучателя и можнастей - определяются комплексные нуль-органа, должны быть равны по ампли- чувствительности гидрафанов па напряжетуде и сдвинуты па фазе на 180 о, т.е, нию холостого хода, па заряду, а также выл =Они-ноИни-и=) (9) 50 ходнай импеданс, Установки с указаннымиПри отсутствии компенсации я Ф). По- свойствами в Рабочем диапазоне ст 1 Гц доскольку амплитуда сигнала на выходе нуль,15 кГц не известны.индикатора связана с напряжением Использование предлагаемого способа возбуждения излучателя линейной зависи- градуировки гидрофонав и Устройства для мастью, то для получения Режима компен его осуществлениЯ позволЯют по сравнесации напряжение возбуждения излучателя нию с прототипом повысить быстрадейстувеличивается в ) а раз, Расчет необходи- вие за счет исключения операций подбора мого изменения величины напряжения из- амплитуды и фазы напряжения на излучателучателя производится путем измерения ле и введение операции расчета величинынеобходимого изменения этого напряженияпо результатам двух измерений комплексных значений сигналов на нуль-индикаторе. Одновременно повышается качество градуировки за счет повышения информативности способа и устройства, а именно, измерения комплексных значений чувствительности гидрофона как по напряжению, так и по заряду, а также измерения комплексного значения выходного импеданса гидрофона по результатам измерений комплексных значений сигналов преобразователей.формула изобретения 1, Способ градуировки гидрофонов методом пьезоэлектрической компенсации в камере малого объема, заключающийся в одновременном электрическом возбуждении колебаний нуль-органа и излучателя, измерении напряжения холостого хода на гидрофоне и расчете чувствительности гидрофона по напряжению,отл и ч а ю щи йс я тем, что, с целью повышения быстродействия и информативности, перед одновременным электрическим возбуждением колебаний нуль-органа и излучателя, дополнительно возбуждают фиксированным напряжением нуль-орган, измеряют комплексное значение амплитуды. сигнала на нуль-индикаторе, снимают напряжение возбуждения с нуль-органа и дополнительно электрически возбуждают излучатель, измеряют комплексное значение амплитуды сигнала на нуль-индикаторе и рассчитывают комплексное значение отношения амплитуд сигналов а на нуль-индикаторе, одновременное возбуждение нуль-органа и излучателя производят напряжением, равным первоначальной фиксированной величине напряжения. умноженной на величину а, после измерения напряжения холостого хода на гидрофоне измеряют ток короткого замыкания гидрофона, а при расчете чувствительности гидрофона по напряжению Мг определяют ее комплексное значение по формуле; 5 10 20 25 30 35 40 45 50 55 оМ" М. О.,где Мк - константа установки, определяе. мая путем компенсации в камере гидростатического давления;Ог- комплексное значение напряжения холостого хода на гидрофоне:Оно - комплексное значение напряжения на нуль-органе,дополнительно рассчитывают комплексное значение чувствительности гидрофона по заряду Ма в соответствии с формулой сгМга =2 л 1МкОногде - комплексное значение тока короткого замыкания гидрофона,1 - частота напряжения,а также дополнительно рассчитывают комплексное значение выходного импеданса гидрофона в соответствии с формулойОгЕг = -- .г2. Устройство для градуи рова н ия гидрофонов методом пьезоэлектрической компенсации в камере малого объема, содержащее нуль-орган, нуль-индикатор, излучатель, установленный в стенках камеры малого объема, гидрофон, предварительный усилитель, последовательно соединенные фазовращатель, аттенюатор и усилитель мощности, задающий генератор, подключенный к входу фазовращателя, переключатель, аналого;цифровой преобразователь. блок управления и вычисления, причем аттенюатор связан с вторым выходом фазовращателя, гидрофон и нуль-орган связаны с первым и вторым входом переключателя соответственно, а блок управления и вычитания соединены через управляющую шину с переключателем, аналого-цифровым преобразователем, задающим генератор, фазовращателем и аттенюатором, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродействия и информативности, в него введены преобразователь тока в напряжение, дополнительные первый, второй и третий переключатели, дополнительный аналого-цифровой преобразователь, причем выход нуль-индикатора подключен к третьему входу переключателя, второй вход которого связан с входом третьего дополнительного переключателя, выход третьего дополнительного переключателя подключен к входу дополнительного аналого-цифрового преобразователя и первому выходу фазовращателя, выход переключателя связан с первым входом второго дополнительного переключателя, второй вход которого соединен с входом аналого-цифрового преобразователя, второй и четвертый выходы первого дополнительного переключателя связаны с входом и выходом преобразователя тока в напряжение соответственно, первый и в третий выходы - с входом и выходом предварительного усилителя соответственно, при этом выход усилителя мощности подключен через первый дополнительный переключатель к излучателю, а блок управ1775875. Составитель В. ГаранинРедактор Техред М.Моргентал Корректор Т, Палий аказ 4042 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раущская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 1 ления и вычисления подключен через управляющую шину к каждому дополнительному переключателю и дополнительному аналого-цифровому преобразователю.