В статье приведено описание процесса градуировки гидрофона и доработка существующего метода.
Ключевые слова: гидроакустика, гидрофон, градуировка, программное обеспечение, доработка, автоматизация.
Гидроакустика — наука о явлениях в водной среде, связанных с излучением, распространением и приёмом акустических волн, теоретическую основу данной науки составляет теория колебания волн. Гидроакустика как самостоятельная отрасль науки и техники возникла после первой мировой войны. Появлению её предшествовал долгий путь развития теоретической и прикладной акустики. Вторая мировая война показала важность данной науки на море, что послужило толчком к периоду бурного развития.
Звуковые волны могут применяться для передачи сигнала, исследования рельефа дна водоёмов и океанов, обнаружения подводных объектов различных размеров, изучения биологического состава звукорассеивающего слоя, прогнозирование землетрясений и это не полный список открывающихся возможностей.
Существуют различные гидроакустические устройства, принцип действия которых основан на использовании акустических волн в воде. Основными являются: эхолоты, гидролокаторы, шумопеленгаторы и гидрофоны. Гидрофон- конструктивно представляет собой пьезоэлемент, размещенный в герметичном корпусе. Пьезокерамический чувствительный элемент покрыт эластичным звукопрозрачным компаундом. Принцип действия основан на использование прямого пьезоэфекта в пьезокерамике: при воздействия акустического давления на поверхность пьезокерамического элемента на его электродах возникает электрическое напряжение, пропорциональное действующему давлению и которое может регистрироваться соответствующей аппаратурой, подключенной к выходу гидрофона. Некоторые гидрофоны могут также использоваться как излучатели. В таком режиме используется обратный пьезоэфект в пьезокераике: Механическую деформацию пьезокерамического элемента провоцирует пропорциональный переменный электрический сигнал, эквивалентную акустическому давлению.
Готовые гидрофоны нуждаются в градуировке. Существуют различные способы нахождения чувствительности гидрофона, наиболее часто применяемые: метод сравнения и метод взаимности.
Рассмотрим процесс определение чувствительности методом сравнения в закрытой камере. Для этого нам необходима эталонная установка со специальной замкнутой камерой, в которой создаётся давление: тем самым имитируется условия открытых водоёмов. Также понадобятся три преобразователя: сам градуируемый гидрофон, излучатель и эталонный гидрофон. Для того чтобы произвести градуировку, устройства закрепляются в закрытой камере и создаётся давление в установке. После чего подаём сигнал с излучателя на определённых частотах. Далее принимаем сигнал эталонным и исследуемым гидрофоном, измеряем амплитуду пришедшего сигнала и записываем показания в журнал измерения. После чего данные переносятся в компьютер, для вычисления чувствительности по соответствующим формулам. Подачу сигнала, а также его приём и вычисление чувствительности производят вручную, что занимает много времени, а также повышается риск ошибки оператора. Можно автоматизировать описанный процесс, тем самым минимизировать погрешность и повысить скорость градуировки. К сожалению, у самой установки отсутствует возможность подключения к компьютеру для управления давлением. Контроль осуществляется механическим рычагом, который напрямую связан с насосом. Но это нам не помешало разработать специальную программу, которая сможет отправлять и принимать сигналы самостоятельно.
Для этого компьютер с установленным ПО необходимо подключить к генератору и мультиметру, которые в свою очередь подключены к излучателю и гидрофонам соответственно.
Рис 1. Схема подключения
Далее в программе задаём сигнал, который будет подавать с излучателя на исследуемый и эталонный гидрофон, для этого необходимо задать напряжение, а также частоту. Есть возможность сразу указать до 6 различных частот, на которых будет производиться градуировка. После того как мы нажимаем кнопку рассчитать, с генератора подаётся сигнал, далее поочерёдно снимаются показания с гидрофонов и сразу отображаются на экране. Далее, на основе этих данных, программа автоматически посчитает чувствительность, на заданных частотах и отобразит в соответствующей области. Ранее давление создавали электрическим насосом, ориентируясь на стрелку манометра. И хоть мы не имеем возможность создать управление насосом с компьютера, мы можем заменить аналоговый манометр на цифровой, способный передавать принимаемые значения на ПК в реальном времени. Данные будут отображаться в программе и на экране самого прибора. Тем самым мы повысили точность задаваемого давления и минимизировали риск ошибки оператора.
Рис. 2. Скриншот программы
Данная программа сильно разгружает работу оператора. Теперь требуется лишь задать напряжение и частоты, на которых необходимо провести замер. Программа автоматически подаёт сигнал на эталонный гидрофон, выжидает 10 сек (это необходимо для того чтобы минимизировать влияние помех) и принимает его, сразу выводя на экран значения. Далее на этой же частоте производит замер исследуемого гидрофона. После чего переходит на другую из изначально заданных частот и проводит тот же алгоритм. По завершению сбора информации, автоматически высчитывает чувствительность и выводит на экран значения. Таким образом, минимизировался риск ошибки оператора, а также исключился рутинный процесс, который занимал много времени у метролога.
Литература:
- Бобер, Дж Гидроакустические измерения / Дж Бобер. — Москва: МИР, 1974. — 362 c. — Текст: непосредственный.
- https://www.vniiftri.ru/catalog/products/pribory/sredstva-izmereniy/gidroakustika/gidrofon-gi21/. — Текст: электронный // ВНИИФТРИ: [сайт]. — URL: (дата обращения: 20.12.2022).
