Метод измерения фазо-частотной характеристики акустических излучателей Текст научной статьи по специальности «Физика»
Текст научной работы на тему «Метод измерения фазо-частотной характеристики акустических излучателей»
5. Гаврилов А.М., Медведев В.Ю., Батрин А.К. Автоматизированный комплекс для измерений частотных характеристик пьезоэлементов и пьезопреобразователей. Труды XIII сессии Российского акустического общества, т. 2. - М.: ГЕОС, 2003, с. 610.
6. Новиков Б.К., Руденко О.В., Тимошенко В.И. Нелинейная гидроакустика. -Л.: Судостроение, 1981. 264 с.
7. Гаврилов А.М., Медведев В.Ю. Исследование амплитудно-фазовых характеристик нелинейного акустического излучателя с трехчастотной накачкой. Известия ТРТУ «Экология 2002 - море и человек». - Таганрог: Изд-во ТРТУ, №6, 2002, с. 53-57.
8. Гаврилов А.М., Медведев В.Ю., Батрин А.К. Зависимость амплитуднофазовой характеристики нелинейного акустического излучателя от амплитудных и фазовых соотношений в спектре накачки. Известия ТРТУ «Экология 2002 - море и человек». - Таганрог: Изд-во ТРТУ, №6, 2002, с. 57-61.
МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ФАЗО-ЧАСТОТНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
Таганрогский государственный радиотехнический университет Россия, 347900, Таганрог, Шевченко, 2, кафедра ЭГА и МТ Тел.: (86344) 37-17-95; E-mail: gavr_am@mail.ru
Одно из перспективных направлений развития приборов неразрушающего контроля, медицинской диагностической и гидроакустической аппаратуры связано с использованием широкополосных акустических сигналов (модулированных по амплитуде, фазе, с линейной частотной модуляцией и т.д.), позволяющих значительно расширить объем получаемой информации, увеличить дальность действия, разрешающую способность, отношение сигнал/шум в приеме и т.д. Искажения амплитудного и фазового спектров излучаемого сигнала, вносимые резонансными преобразователями, зачастую делают невозможным решение поставленной задачи. Подобную ситуацию можно исключить, если осуществить коррекцию амплитудно-фазового спектра подаваемого на излучатель электрического сигнала или учесть эти искажения при обработке принятого сигнала. В обоих случаях необходимо знать амплитудно- и фазо-частотную характеристики (АЧХ и ФЧХ) излучающего тракта аппаратуры, неотъемлемой частью которого является излучающий электроакустический преобразователь.
Существующие подходы к измерению АЧХ и ФЧХ излучателей [1] предполагают использование градуированных звукоприемников, методов взаимности, самовзаимности и др. Однако на частотах выше 100 кГц их применение затруднено в связи с низкой точностью получаемых результатов и отсутствием приемников с известными АЧХ и ФЧХ чувствительности на этих частотах. Высокая трудоемкость известных методов препятствует их автоматизации, из-за чего при измерении характеристик зачастую ограничиваются получением 10 - 15 точек в рабочем диапазоне частот [1]. В случае использования сложных сигналов столь грубая оценка частотных характеристик не может считаться оправданной из-за сложного (многорезонансного) характера колебаний, происходящих в электроакустических преобразователях.
В связи с этим представляют интерес методы, которые благодаря простоте автоматизации измерений позволяют получать сколь угодно много точек в рабочей
области частот и не требуют градуированных приемников. Тем самым из результатов измерений исключаются ошибки и промахи, связанные с квалификацией и качеством работы оператора, а также погрешности градуировки приемника.
Большие перспективы для построения новых методов градуировки излучателей и приемников звука имеет использование нелинейных процессов, сопровождающих распространение акустических волн. Обусловлено это широкополосностью нелинейных акустических процессов в средах без дисперсии, к таковым относится большинство естественных материалов, включая воду. Сюда же следует отнести высокую степень изученности теоретических и экспериментальных аспектов нелинейной акустики, отсутствие необходимости в эталонных средах благодаря использованию нелинейных свойств самой среды, простоту технической реализации. Невысокий КПД нелинейных процессов (< 1%) не ограничивает их использование в измерительных задачах, в которых расстояния между излучателем и приемником не превышают, как правило, нескольких метров, где отношение сигнал/шум при измерениях нелинейно генерируемых волн не опускается ниже 4060 дБ.
К настоящему времени разработаны, экспериментально апробированы и реализованы в автоматических измерительных установках нелинейные методы измерения АЧХ излучателей и приемников [2, 3], не требующие градуированных гидрофонов и излучателей. К отмеченным достоинствам самих методов следует добавить особенности их технической реализации - высокую точность, малые временные затраты на измерения, использование стандартной промышленной аппаратуры, сколь угодно малый шаг по оси частот, компьютерную обработку и оформление результатов в общеизвестных математических и графических пакетах.
В настоящей работе рассматривается метод измерения ФЧХ акустических излучателей, в основу которого положена фазовая зависимость нелинейных процессов в трехчастотной волне накачки, происходящих в среде между расположенными соосно излучателем и звукоприемником. Дополнительные фазовые сдвиги, вносимые излучателем в каждую из компонент спектра накачки из-за нелинейности ФЧХ в резонансной области частот [4], зависят от расстройки между частотами сигнала и резонансной частотой преобразователя. В результате изменяются фазовые соотношения между частотными компонентами накачки, что, в конечном счете, проявляется на амплитудах вторичных волн. Рассмотрим подробнее взаимосвязь фазовых соотношений накачки с амплитудой первой гармоники волны разностной частоты (1-й ВРЧ), используемой в качестве информационного сигнала при определении ФЧХ излучателя.
соответственно равны р0, рН, рВ и ф0, фН, фВ, может быть записана в виде модулированного по амплитуде и фазе колебания
где Л(1) - огибающая узкополосного сигнала; ф(1) - функция, описывающая фазовую модуляцию высокочастотного заполнения; 1 = (1’ - х /с0) - время в сопровождающей системе координат; 1’, х - текущее время и координата распространения волны. Здесь
A2(t) = (Po2 + pH + pВ) + 2 • Po VpH + P2в + 2 • pHPв С08(2в) С08(О-1 + а) + (2)
+ 2 • pHpв С08(2О-1 + фв —фН) = M0 + M1 С08(О-1 + а) + M2cos[2(Q• t + 0)];
рВ 8Іп(П • і + рв - (р0) - рН 8Іп(П • і + (р0 -Фн )
Ро + Рв 0О8(П і + Рв -Ро) + рН ^(П і + Ро -Фн )
где М0, М1 и М2 - соответственно постоянная составляющая и амплитуды 1й и 2-й гармоник квадрата огибающей; 9 =(фВ - фН)/2; р =[(фН + фВ)/2 - ф0] -фазовый инвариант сигнала накачки;
Рв 5Іп(Рв - Ро) + Рн 5Іп(Ро - Рн ) Рв С0$(Рв - Ро) + Рн С0з(Ро -Рн )