точности измерений входной блок радиометра необходимо термостатировать с погрешностью ±0,049 "С. Во-вторых, влияние нестабильности выходного сигнала генератора шума на точность измерений в значительной степени зависит от сигнала антенны. Для данного примера на рис. 3 приведен график изменения выходного сигнала генератора шума, в пределах которых погрешность измерений не превысит флук-туационную чувствительность радиометра. При Та = Т0, как следует из (7), длительность ШИМ-сигнала не зависит от сигнала генератора шума и определяется из соотношения
^ШИМ = а2^АИМ / (а11).
В ходе экспериментов была проверена чувствительность данного нулевого радиометра на интервале времени измерения 50 мс. Сравнение проведено с модуляционным режимом работы радиометра. В этом случае сигнал подшум-ливания через направленный ответвитель выключали. Флук-туационная чувствительность радиометра в нулевом режиме работы составила 0,23 К, в модуляционном — 0,81 К.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 13-07-98009).
Л и т е р а т у р а
1. Мирский Г. Я. Электронные измерения: Монография. М.: Радио и связь, 1986.
2. Грачев А. М. Модуляционные радиометры (обзор) // Техника средств связи. Радиоизмерительная техника. 1991. № 3. С. 29—38.
3. Фалин В. В. Радиометрические системы СВЧ: Монография. М.: Луч, 1997.
4. Филатов А. В. Нулевой метод в радиометрических измерениях: монография. Томск: Изд-во Томск. гос. ун-та систем управления и радиоэлектроники, 2010.
5. Филатов А. В. Модифицированный метод нулевого приема в сверхвысокочастотном радиометре // Приборы и техника эксперимента. 1996. № 3. С. 87—92.
6. Филатов А. В., Убайчин А. В. Динамические свойства цифровой радиометрической системы и эффективность ее работы // Измерительная техника. 2011. № 10. С. 39—42; Filatov A. V., Ubaichin A. V. The dynamic properties of a digital radiometer system and its operating efficiency // Measurement Techniques. 2011. V. 54. N. 10. P. 1160—1165.
7. Клаассен К. Б. Основы измерений. Электронные методы и приборы в измерительной технике: Монография. М.: Постмаркет, 2000.
Дата принятия 07.03.2014 г.
АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
534.6
Критерий качества реализации условий свободного поля при градуировке гидроакустического приемника в бассейне
с отражающими границами
А. Е. ИСАЕВ
Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений, Менделеево, Россия, e-mail: isaev@vniiftri.ru
Проанализированы методы реализации свободного поля при измерениях в бассейне с отражающими границами. Отмечено, что их разделение на традиционный метод измерений в свободном поле и способы пересчета данных к условиям свободного поля необоснованно. Показана возможность оценки качества условий свободного поля при градуировке акустического приемника по ширине полосы размытия частотной характеристики пары излучатель—приемник.
Ключевые слова: свободное звуковое поле, градуировка гидрофона, бассейн с отражающими границами, метод временной селекции, метод скользящего комплексного взвешенного усреднения.
The methods of the free-field realization at measurements in the pool with reflecting boundaries are considered. It is shown that the separation of these methods on the method of measurement in a free field «by definition» and recalculation to a free field conditions is unfounded. The possibility to evaluate the quality of free-field conditions during sound receiver calibration using the width of smearing on frequency of projector-receiver pair frequency response is shown.
Key words: free sound field, hydrophone calibration, reflecting water tank, reflection limited methods, method of complex moving weighted averaging.
До недавнего времени метод временной селекции прямого и отраженных сигналов не имел достойной альтернативы, и влияние отраженных сигналов при градуировке гид-
рофона в бассейне с отражающими границами исключали, применяя технику тонально-импульсного излучения и приема [1, 2]. Повсеместный переход к компьютерным техно-
логиям предопределил широкое распространение цифровых методов обработки сигналов, что позволило реализовать в подводной акустике такие методы обработки, как комплексное сопряжение или временное обращение волны (волнового фронта), и таким образом ослабить влияние отражений в гидроакустическом канале [3—5]. В лабораторных условиях альтернативу временной селекции сегодня могут составить метод спектрометрии временных задержек (СВЗ) [6] и методы, основанные на математической обработке кепстра или частотной зависимости пары излучатель— приемник в реверберационном поле звуковой волны [7—9]. Значительной модернизации подверглась и техника метода временной селекции. Во ВНИИФТРИ для подавления шумовой помехи используют накопление серии когерентных тональных импульсов [9]. Комплексную амплитуду сигнала оценивают методом квадратурной обработки. Для этого либо излучают пару квадратурно дополненных тональных импульсов, разделяя их реверберационной паузой [2], либо расчетным путем получают тональный импульс (пару Гильберта), ортогональный принятому. С расширением арсенала приемов, позволяющих разделять прямой и отраженный сигналы, все большую актуальность приобретают вопросы: являются ли измерения с использованием того или иного метода измерениями в свободном поле, какой способ реализации условий свободного поля предпочтительнее, как оптимизировать градуировки по полю в незаглушенном бассейне заданной геометрии и т. п.
Общепринятое определение свободного поля [10] и связанное с ним понятие калибровки по полю [1] допускают лишь два возможных показателя качества реализации свободного поля: «да» и «нет» в случаях соответствия принятому определению и не соответствия. В воздушной акустике измерения в безэховой камере не противоречат условиям общепринятого определения, и их можно смело признать измерениями по полю.
Начиная с экспериментов П. Ланжевена и К. Шиловского с локацией гидроакустического эхосигнала в годы Первой мировой войны, отсутствие безэхового гидробассейна принято компенсировать временной селекцией прямой и отраженных волн. Этот метод по-прежнему применяют в первичных национальных эталонах для градуировки гидрофонов. За столь продолжительный период временная селекция в гидроакустических измерениях стала настолько привычной, что в сознании как отечественных, так и зарубежных специалистов понятия «временная селекция тонального импульса» и «реализация условий свободного поля» оказались неразрывными. Поэтому, говоря об измерениях по полю, подразумевают временную селекцию тонального импульса и наоборот. В фундаментальном обзоре [11] под реализацией условий свободного поля в отражающем бассейне, прежде всего, понимают именно временную селекцию. При этом утверждается, что все результаты измерений при отраженном сигнале не в условиях свободного поля могут претендовать только на пересчет к условиям свободного поля. В [12] реализация условий свободного поля — это либо разделение во временной области сигналов, соответствующих прямому и отраженному акустическим радиоимпульсам по времени их прихода в точку приема, либо выделение сигнала, соответствующего прямой звуковой волне в частотной области путем частотного разделения прямого и отраженных линейно-частотно-модулированных (ЛЧМ) сигналов. В этом [12] частично противоречат [11]. Реализацию условий свободного поля в обоих источниках объединяет сделанный автора-
ми упор на физическое выделение прямой звуковой волны в звуковом поле отражающего бассейна. Подразумевая на самом деле звуковое поле, авторы рассуждают в терминах сигналов, и вопрос близости условий измерений в отражающем бассейне к свободному полю сводят к вопросу, насколько хорошо удается разделить прямой и отраженный сигналы.
Проанализируем метод временной селекции с точки зрения общепринятого определения свободного звукового поля [10] — это звуковое поле в однородной изотропной среде, границы которой оказывают пренебрежимо малое действие на звуковые волны. Поле звуковой волны существует во времени и пространстве, и свободное звуковое поле означает их бесконечные пределы. К сожалению, в рассматриваемом общепринятом определении явно присутствует только пространство, в котором границы оказывают пренебрежимо малое действие на звуковые волны. То, что это воздействие должно быть пренебрежимо малым всегда, т. е. на бесконечном интервале времени, присутствует в определении неявно. В этом следует искать причину раздельного восприятия времени и пространства и абсолютизации роли пространства в ущерб времени при использовании общепринятого определения на практике при градуировке акустического приемника. Тем самым понятие «свободного поля» было сведено к понятию «свободного пространства», например в воздушной акустике — пустая комната.
Бесконечность пространства в силу неразрывной связи пространства и времени (в контексте статьи — времени измерений), означает бесконечное время измерений и, следовательно, бесконечно малое разрешение по частоте. И наоборот, конечное время измерений (конечная продолжительность приемного строба А? в методе временной селекции) в силу частотно-временного соотношения неопределенностей означает, что разрешение по частоте не может быть выше, чем А( > 1/А?. При этом, если А? совпадает с временной задержкой отраженной волны, то существование свободного поля оказывается ограниченным по пространству областью размером г = сА?, где с — скорость звука в среде, а временной интервал А? приобретает смысл времени существования свободного поля в точке приема.
Техника временной селекции неразрывным образом связала понятия «свободного звукового поля» и «времени измерений» (длительности тонального импульса). Чтобы пояснить важность сделанного замечания, рассмотрим гипотетическую ситуацию, в которой гидрофон принимает сигнал в виде 8-функции. Отклик гидрофона будет представлять его импульсную характеристику Ь(т), которая в условиях однородной изотропной безграничной среды должна быть измерена на сколь угодно продолжительном интервале времени. Частотную характеристику гидрофона Н(/) даст преобразование Фурье импульсно
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.