АКУСТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2015, том 61, № 6, с. 736-744
АКУСТИКА ОКЕАНА. ГИДРОАКУСТИКА
УДК 534.6
ЛАБОРАТОРНАЯ ГРАДУИРОВКА ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ПРИЕМНИКА В РЕВЕРБЕРАЦИОННОМ ПОЛЕ ШУМОВОГО СИГНАЛА © 2015 г. А. Е. Исаев, И. В. Черников
ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт
физико-технических и радиотехнических измерений" 141570 Московская обл., Солнечногорский р-н, г.п. Менделеево Тел. 8 (495) 660-21-66, факс 8 (495) 660-25-39 E-mail: isaev@vniiftri.ru Поступила в редакцию 21.01.2015 г.
При выполнении градуировочных работ целесообразно измерять комплекс подробных частотных характеристик гидроакустического приемника с тем, чтобы на его основе получать частные характеристики, адекватные целям и условиям применения приемника по назначению. Показана возможность использования для этого реверберационного поля шумового сигнала в сочетании с обработкой методом скользящего комплексного взвешенного усреднения. Приведены результаты градуировки гидроакустических приемников в шумовом реверберационном поле лабораторного бассейна.
Ключевые слова: гидроакустический приемник, измерение подводного шума, шумовое ревербера-ционное звуковое поле, градуировка.
DOI: 10.7868/S0320791915050093
ВВЕДЕНИЕ
В последние десятилетия круг задач гидроакустических измерений стремительно расширился в связи с общим ухудшением состояния прибрежных зон Мирового океана. Введение в действие международно-правовых документов по защите и поддержанию благоприятного экологического статуса морской среды и вызванная этим стандартизация измерений подводного шума антропогенного происхождения значительно увеличили спрос на точные гидроакустические измерения.
При измерениях уровней подводного шума (УПШ) в морских условиях гидрофон устанавливают в специальную конструкцию, называемую системой вывешивания или носителем гидрофона [1]. Акустическим характеристикам такого приемника не уделяли пристального внимания, когда погрешности измерений УПШ оценивались в 4—6 дБ. Сегодня в соответствии с требованиями стандартов погрешность измерений УПШ корабля не должна превышать 1.5—3 дБ [2]. Проведенные в нашей стране и за рубежом исследования показали, что измерителю УПШ свойственна высокая, с глубокими провалами, изрезанность частотной характеристики. Обеспечение требуемой точности потребовало как совершенствования конструкции приемника, так и выполнения градуировки приемника в частотных полосах, используемых для измерения УПШ. Поскольку габариты приемника значительно превышают размеры гидрофона, выполнение
критерия дальнего поля потребовало многократно увеличить расстояние между излучателем и приемником. Возможность измерения подробных частотных характеристик оказалась весьма полезной как для исследований и совершенствования акустических свойств, так и для градуировки приемника, предназначенного для измерения УПШ [3].
Технические регламенты, регулирующие работы на шельфе, предполагают в числе прочего нормирование и измерение пиковых значений акустического импульса морского копра. Необходимость таких измерений резко ужесточает требования к гидроакустическому приемнику, при этом знание подробной частотной характеристики становится обязательным, поскольку необходимо гарантировать отсутствие крутых пиков и провалов на характеристике приемника.
Получение подробных частотных характеристик требует больших объемов измерительной информации, которые не может обеспечить тонально-импульсный метод, традиционно применяемый при градуировке гидрофонов. Для этих целей при выполнении градуировочных работ предпочтительно использовать сигнал с распределенной по частоте мощностью, например, шумовой и частотно модулированный [3—5]. В настоящей статье вниманию специалистов предложены новые результаты по градуировке гидроакустического приемника в шумовом реверберационном звуковом поле.
ГРАДУИРОВКА В ШУМОВОМ РЕВЕРБЕРАЦИОННОМ ЗВУКОВОМ ПОЛЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ТЕХНИКИ СКВУ
Первые исследования шумового звукового поля в гидроакустическом бассейне ВНИИФТРИ с точки зрения его пригодности для метрологических целей были выполнены в 1960—1961 гг. Д.З. Лопашевым, который в экспериментах с шумовым сигналом опирался на статистическую теорию реверберации и применял методы архитектурной акустики. Более 50 лет назад Д.З. Лопашев сделал вывод о возможности использования реверберационного поля шумового сигнала в бассейне для прямых измерений чувствительности по диффузному полю с погрешностью 2.5—3 дБ [6]. Использовать шумовое реверберационное поле для получения других характеристик приемника с приемлемой точностью до настоящего времени не удавалось.
Такую возможность предоставил метод скользящего комплексного взвешенного усреднения (СКВУ) частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель—приемник в ревер-берационном звуковом поле [3]. Измерение передаточных импедансов трех пар излучатель—приемник позволяет в отсутствие эталонного гидрофона использовать для градуировки абсолютный метод — метод взаимности [7]. Основу измерительной процедуры составляет получение подробной комплексной частотной зависимости передаточного импеданса пары излучатель—приемник. При выполнении градуировочных работ в шумовом реверберационном поле процедура предусматривает следующие операции:
— определение временных задержек отражений, подлежащих подавлению;
— вычисление для каждого подавляемого отражения частотного интервала усреднения / =1/т;;
— регистрация спектров тока через излучатель Б(/ и спектров выходного напряжения приемника Д(/);
— вычисление спектров мощности |Б((/)|2 = = Б(/)Б;(/)* (* означает комплексное сопряжение) и текущих взаимных спектров Д(/)Б((/)*;
— получение оценок спектра мощности (|Б(/)|2) и взаимного спектра (Д(/)Б;(/)*) ((...) обозначает усреднение по реализациям);
— расчет комплексного передаточного импеданса пары излучатель—приемник в реверберационном поле гп/ по формуле = <Д;(/)Б(/)*)Д|Б(/)Р).
Комплексный передаточный импеданс пары излучатель—приемник в свободном поле г^/) получают обработкой передаточного импеданса пары в реверберационном поле по методу СКВУ:
АЛ«,/2
(Л) = [ ^(Л - ЛУът(ЛУГ, J
-bfwai 2
где Af,a — частотный интервал взвешенного усреднения, равный сумме Af, hWT(f) — взвешивающая функция. На практике взвешенное усреднение реализуют последовательными равновзвешенными усреднениями в частотных интервалах Af. Таким способом получают характеристику заграждения многополюсного режекторного пространственного фильтра [3]. Настройка фильтра на времена прихода нескольких отражений обеспечивает подавление вызванных отражениями искажений частотной характеристики, вполне достаточное для эталонных измерений по полю [8].
СИГНАЛЫ ДЛЯ ГРАДУИРОВОЧНЫХ РАБОТ В БАССЕЙНЕ
На рис. 1а, 1б и 1в показаны осциллограммы выходного напряжения гидрофона в ревербера-ционных звуковых полях с момента начала излучения в лабораторном бассейне тонального импульса, ЛЧМ и шумового сигналов соответственно. На рис. 1а легко выделить визуально прямой импульс излучателя в свободной от отражений начальной части осциллограммы. Тонально-импульсный метод предполагает измерение амплитуды прямого сигнала излучателя, который получают временной селекцией принятого сигнала.
В силу особенностей сигналов с частотной модуляцией реверберационное поле ЛЧМ-сигнала в точке приема имеет два информативных признака, полезных для выделения сигнала прямой волны: первый — разное время прихода прямой и отраженных волн, второй — разные мгновенные частоты прямой и отраженных волн. Известный метод спектрометрии временных задержек (СВЗ) основан на использовании второго информационного признака. Отличие метода СКВУ от СВЗ состоит в том, что он основан на использовании первого признака — различии времен прихода волн в точку приема. Это позволяет методу СКВУ быть независимым от вида излучаемого сигнала и формируемого им в лабораторном бассейне ревербе-рационного звукового поля.
Недостатки ЛЧМ-сигнала. Метод СВЗ существенно уступает тонально-импульсному методу в точности, вследствие чего не получил распространения для эталонных измерений. На результаты, полученные с применением ЛЧМ-сигнала, оказывают влияние переходные процессы в излучателе, приемнике, приемно-измерительном тракте. Погрешность измерений на ЛЧМ-сигнале возрастает для резонансных преобразователей. Результат измерений в значительной степени зависит от параметров ЛЧМ-сигнала, что вынуждает использовать предварительные эксперименты, например, измерения с очень медленным изменением частоты. Акустическое поле в точке приема ЛЧМ-сигнала — нестационарное реверберационное поле, поскольку мгновенные частоты прямого и отраженного
0.3 0.2 0.1 0
-0.1 -0.2 -0.3
0
0.3 0.2 0.1 0
-0.1 -0.2 -0.3
0
0.3 0.2 0.1 0
-0.1 -0.2 -0.3
0
0.1
0.1
0.5 0.6 (б)
0.2 0.3
0.4
0.5 0.6 (в)
0.7
0.8
0.9
0.2 0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
1.0
1.1
Рис. 1. Осциллограммы выходного напряжения гидрофона в реверберационных звуковых полях: (а) тонального импульса, (б) ЛЧМ и (в) шумового сигналов.
ЛЧМ-сигналов постоянно изменяются и никогда не совпадают.
Первые из перечисленных недостатков носят общий характер. На последнем остановимся подробнее. Рассмотрение его как недостатка выглядит парадоксальным, поскольку благодаря именно этому "недостатку" удается выделить прямой ЛЧМ-сигнал на фоне отражений методом СВЗ.
Нестационарное влияние отражений. Число отражений, вносящих вклад в искажения измеряемой частотной зависимости, увеличивается по мере прихода в точку приема новых отражений. Зависимость свободна от искажений в начальном частотном ин-
тервале; искажена только одним (первым) отражением в частотном интервале, предшествующем второму отражению; второе отражение добавляет свой вклад в искажения и с увеличением времени (частоты ЛЧМ-сигнала) все большее количество отражений искажают экспериментальную зависимость.
Влияние нестационарности на результат обработки методом СКВУ проявляется в искажении искомой характеристики горбами и провалами на частотах, соответствующих приходу отражений в точку приема [4]. В том, что эти искажения ложные, нетрудно убедиться, уменьшив либо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.