МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ЮЖНОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА В Г. ТАГАНРОГЕ

Кафедра электроакустической и медицинской техники

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №____

ГРАДУИРОВКА ГИДРОФОНОВ В ИЗМЕРИТЕЛЬНОМ БАССЕЙНЕ

по курсу

АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Разработал

С.С.Снесарев

Таганрог 2009

Градуировка гидрофонов в измерительном бассейне

1. Цель работы

1.1.Ознакомление с методами градуировки и измерения чувствительности гидроакустических приемников и гидрофонов в измерительных бассейнах.

1.2 Градуировка испытуемого гидрофона методом сравнения с эталонным в измерительном бассейне.

2. Теоретические сведения

2.1. Общие сведения о методах и условиях проведения градуировки гидрофонов

При проведении акустических измерений в том числе и градуировки гидрофонов требуется соблюдение ряда условий, относящихся к выбору измерительного объема или учету особенностей используемого объема. В идеальном случае измери­тельный объем должен быть безграничен (это называется «условия свободного поля»), но при измерениях в воздухе, даже в открытом пространстве, надо учитывать отражения сигналов от поверхности земли, при измерениях в море или бассейне— отражения от дна и поверхности воды.

Термин «градуировка» означает выполнение измерительной процедуры, в результате которой получают количественные ха­рактеристики измерительного тракта или преобразователя в ра­бочем диапазоне частот. К таким характеристикам могут быть отнесены: определение поправок к показаниям приборов тракта, чувствительности в режиме излучения или приема, характери­стики направленности и коэффициента концентрации.

Термин «калибровка» означает процедуру, устанавливающую соответствие характеристик измерительного тракта своим номинальным параметрам или паспортным данным. Калибровка должна подтвердить, что характеристики используемого устройства соответствуют полученным при градуировке.

Градуировку производят в соответствии с паспортными данными на прибор (при комплекта­ции измерительного тракта, перед началом испытаний, при поверке в метрологических службах), калибровку же рекомендуется выполнять многократно, перед началом работы, а иногда и через каждые два-три часа работы.

Градуировка гидрофонов может осуществляться абсолютными и относительными методами. К абсолютным относятся такие методы, как градуировка на основе принципа взаимности - методом трех преобразователей, на основе самовзаимности; градуировка методом электродинамической компенсации, градуировка методом пьезоэлектрической компенсации, градуировка в столбе колеблющейся жидкости.

К относительным относятся методы, в которых чувствительность градуируемого гидрофона сравниваются с чувствительностью эталонного гидрофона: метод сравнение, метод замещения. Градуировка проводится в измерительных трубах, в камере малого объема, методом пистонфона, в измерительных бассейнах.

2.2. Градуировка сравнением с образцовым преобразователем

В инженерной практике чаще всего определяют чувствитель­ность преобразователей сравнением с образцовым, прошедшим градуировку в метрологических организациях и имеющим соот­ветствующий паспорт.

Сравнение чувствительностей — изме­рительный прием, требующий строгого выполнения некоторых условий. Чаще в качестве образцового используется приемник звука (из соображений практического удобства), однако условия обеспечения измерений одинаковы для образцовых приемников и излучателей звука.

Идеальными условиями получения правильных результатов при относительной градуировке являются: единство времени проведения измерений, единство места размещения преобразова­телей в звуковом поле и единство (идентичность) используемой аппаратуры при проведении измерений с испытуемым и образцо­вым преобразователями. Практически полностью эти требования не могут быть выполнены, но каждое из них должно быть учтено при постановке эксперимента.

Различают два метода сравнения — сличение и замещение.

Градуировка приемников методом сличения

При сличении соблюдается единство времени, так как оба приемника одновременно подвергаются облучению звуком (рис. 2.1, а).

Рисунок 2.1. Градуировка приемников звука сличением (а) и за­мещением (б).

О — образцовый приемник; X — испытуемый приемник.

Так как единство места расположения приемников не соблюдается, то последние следует поместить в точки с одинаковым значением звукового поля. Должны быть учтены направленность излучателя и приемников звука и влияние отражающих поверх­ностей (которое может быть различным в разных точках поля). Единство используемой аппаратуры не сохраняется, ее иден­тичность должна тщательно контролироваться при проведении измерений.

Градуировка методом замещения.

При замещении образцового приемника испытуемым (рис. 2.1, б) сохраняется единство места и полная идентичность используемой аппаратуры, так как используется один и тот же измерительный тракт. Не сохраняется единство времени.

Это требует поддержания неизменным режима излучения, имея в виду как стабильность работы возбуждающего генератора, так и усло­вия работы излучателя. Недопустимо, например, разделять два указанных измерения на значительный промежуток времени — при этом могут измениться условия: температура, давление, количество газосодержания в жидкости, влияющее на возникновение воздушных пузырьков, искажающих результаты измерений.

Рисунок 2.2. Структурная схема установки для градуировки приемников звука замещением с помощью барабана, устанавливающего приемники в одну точку поля.

Следует указать, что метод замещения дает более точные результаты, чем метод сличения и позволяет механизировать процесс градуировки. Наиболее практичным (хотя и требующим наличия некоторого оборудования) является при­менение поворотного устройства типа барабана с обоймами для приемников (или излучателей), перемещающего их в одну и ту же точку поля (рис. 2.2).

Необходимо при сравнительных измерениях обращать особое внимание на учет направленности: приемник должен устанав­ливаться максимумом направленности в направлении излучателя.

На приемнике делается метка в направлении максимальной чувствительности. При градуировке его устанавливают меткой к излучателю. Расстояние между излучателем и приемником должно превышать расстояние, необходимое для формирования их характеристики направленности:

, (1)

где D₁ и D₂ — наибольшие размеры излучателя и приемника соответственно; λ — длина звуковой волны.

При градуировке сравнением необходимо также строго сохра­нять линейность измерительного тракта.

Искомая чувствительность М_Х, определяемая в результате процедуры сравнения, определяется по формуле

, (2)

где U₁ и U₂ — напряжения на выходе испытуемого и образцового приемников;

М₀ — чувствительность образцового приемника.

При проведении градуировки необходимо, чтобы условия проведения измерений по температуре, статическому давлению, влажности соответство­вали условиям, при которых выполнялась градуировка образцо­вого приемника (они должны указываться в его паспорте).

Метод и условия градуировки выбираются с учетом типа преобразователя, его частотного диапазона, требуемой точности измерений, а также производственных возможностей.

При градуировке в измерительных трубах и камерах малого объема конструкции труб и камер должны отвечать следующим условиям:

— стенки труб следует выполнять акустически жесткими;

— внутренний диаметр труб должен отвечать неравенству d < λ/2 (физически это означает, что длина возбуждаемых волн внутри трубы λ должна быть больше длины волны, при которой в трубе имеет место один диаметральный узел давления);

— длина трубы должна содержать не менее 3—5 длин звуковых волн;

— внутренние поверхности трубы должны быть акустически гладкими, т. е. неровности на них должны быть значительно мень­ше длины волны звука в среде.

Если эти условия выполняются, при любом виде источника в трубе распространяется плоская волна. Для перекрытия звукового диапазона частот рекомендуют использовать комплект из трех-четырех труб различного диаметра и длины.

Разновидностью измерительных труб являются камеры ма­лого объема, размеры которых существенно меньше длины волны, и звуковое поле внутри камеры распределено равномерно.