ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 171
Скачиваний: 0
158 Гл. III. Основы измерений в свободном поле
производится градуировка большого числа преобразователей. Поэтому в той или иной степени применяют различные системы автоматизации измерений, чтобы уменьшить время и трудо емкость многократных измерений по точкам на разных часто тах. Все автоматические системы, как бы сложны они ни были, являются разновидностями основной схемы измерительной уста новки, показанной на рис. 3.23 и 3.24.
Многие детали автоматической системы определяются инди видуальным вкусом экспериментатора, привычкой, стоимостью и легкостью приобретения конкретных приборов и устройств. Од нако различные системы имеют общие черты (рис. 3.26). Узлы установки, показанные сплошными линиями, составляют основ ную систему для измерений и градуировки преобразователей в непрерывном режиме. Пунктирными прямоугольниками обо значены добавочные блоки, присутствие которых необязательно.
Основная система позволяет автоматически решать три важ ные задачи: 1) непрерывное изменение частоты, 2) непрерывную запись выходного сигнала гидрофона и 3) фильтрацию сигнала при непрерывно изменяющейся частоте.
Рассмотрим сначала систему, показанную на рис. 3.26 сплош ными линиями. Сигнал возбуждается генератором переменной частоты. Частотный диапазон генератора обычно перекрывает несколько декад, и часто для автоматического изменения ча стоты используется мотор. Частотная калибровка у широкопо лосных генераторов обычно не очень точная, и поэтому для конт роля и измерения выходной частоты применяется частотомер или другое устройство.
Следующей ступенью является усилитель напряжения, слу жащий для управления уровнем сигнала с генератора с целью создания достаточного уровня входного напряжения для по следующих ступеней установки.
Усилитель мощности дает электрическую, а в конечном итоге и акустическую мощность, необходимую для получения измери мого уровня сигнала на выходе гидрофона.
Для согласования выходного импеданса усилителя мощности с излучателем и оптимальной передачи мощности используют согласующие схемы, которые часто представляют собой транс форматоры с многими отводами. Однако иногда более важным является поддержание постоянства тока или напряжения. Тогда можно осуществить умышленное рассогласование. Например, всю схему, питающую излучатель, можно сделать так, что она будет вести себя примерно как генератор постоянного напряже ния с малым импедансом или как генератор тока с высоким им педансом. Применяют и другие типы схем, служащие, например, для получения токов или напряжений, меняющихся с частотой по определенному закону.
Рис. 3.26. Типичная установка для автоматической градуировки преобразова телей. Основная система, работающая в непрерывном режиме, показана сплош ными линиями. Пунктиром показаны дополнительные блоки, обеспечивающие возможность работы установки в импульсном режиме, а также контроль и поддержание постоянства тока излучателя или напряжения на нем.
160 Гл. III. Основы измерений в свободном поле
Согласование или рассогласование импедансов применяется между всеми узлами установки для получения оптимальных ха рактеристик. Для улучшения или для достижения согласования применяются согласующие трансформаторы или другие устрой ства. Для уменьшения вариаций импеданса, а также для ослаб ления уровня сигнала используют аттенюаторы. Соотношение импедансов особенно важно на входе и выходе усилителя, если используется калибровка его усиления.
При некоторых градуировках нужно измерять входной ток излучателя или напряжение на нем. Эти величины в любом случае нужно контролировать, чтобы обеспечить постоянство условий градуировки. Измерительные цепи для определения е и i должны оказывать пренебрежимо малое влияние на цепь уси литель мощности — излучатель. Цепь для измерения е обычна имеет высокий импеданс и соединяется параллельно с излуча телем; цепь для измерения i обычно имеет низкий импеданс и соединяется с излучателем последовательно.
В любом случае измеряемые сигналы е или i подаются на ту же приемную или записывающую систему, куда подается и вы ходное напряжение гидрофона и где сигнал подвергается тем же самым операциям смешивания, фильтрации и записи. Из формул градуировки, приведенных в разд. 3.15, видно, что нужно измерить отношение (или разность в децибелах) значения на пряжения на гидрофоне к значению тока излучателя. Конечно, если оба измеряемых сигнала—-ток i и напряжение е — одина ковым образом усиливаются, ослабляются, смешиваются, фильт руются, записываются и т. д., то отношение этих сигналов не меняется. Системы для измерения е и i должны быть отградуи рованы, но вся система в целом не нуждается в градуировке. Конечно, она должна быть линейной и стабильной, и для про верки этого условия проводят специальные электрические из мерения. Эти измерения являются контрольными.
Измерение е производится непосредственно; типичная схема показана на рис. 3.27, а. Измерение тока i представляет более сложную задачу, так как схема для измерения тока вклю чается последовательно с излучателем и через нее может про текать весьма большой ток. Если излучатель включен несим метрично, то значительные трудности представляет выбор пра вильных условий заземления. На рис. 3.27, б показана старая, но типичная схема измерения тока излучателя по падению напряжения на малом последовательном сопротивлении. На рис. 3.27, в показана лучшая схема, в которой одна жила ка беля, питающего излучатель, используется как одновитковая первичная обмотка трансформатора. Вторичной обмоткой слу жит тороидальная катушка, окружающая эту жилу.
3.7. Автоматические системы |
161 |
Схемы для измерения е и i служат, в сущности, для опреде ления отношений .ее/е и e ji (рис. 3.27). Когда в цепи излучателя имеется образцовое сопротивление R, то величину e ji можно представить в виде вгЯ/е, и измерение тока сводится к измере нию двух напряжений с помощью одной и той же измерительной схемы.
Большое сопротивление и делитель
Рис. 3.27. Типичные схемы для измерения напряжения на излучателе (а) и тока, питающего излучатель ( б и в ) .
При градуировке гидрофонов выходное напряжение должно измеряться в режиме холостого хода. Обычно первой ступенью приемной системы служит усилитель с высоким входным сопро-. тивлением типа катодного повторителя. Основная функция этого усилителя состоит в согласовании импедансов, а не в усилении. Разумеется, следующей ступенью является усилитель напряже ния с известным коэффициентом усиления.
И Заказ № 730
162 Гл. III. Основы измерений в свободном поле
Следующими двумя ступенями являются гетеродинный сме ситель и полосовой фильтр, которые в совокупности составляют следящий фильтр. Гетеродинный смеситель преобразует пере менную частоту в фиксированную частоту fo. Центр полосы пропускания фильтра расположен на этой частоте /о-
В сущности, принцип гетеродинирования состоит в смешива нии двух частот с целью получить суммарную и разностную ча стоты. Одна из этих частот — суммарная или разностная —
а
б
Рис. 3.28. Две разновидности принципа гетеродинирования для преобразо вания сигнала переменной частоты (0-Цтах) в фиксированную частоту (f0).
I — генератор частоты на биениях; II — гетеродинный смеситель.
отфильтровывается, а другая используется. Комбинация генера тора переменной частоты в излучающей системе и гетеродинного смесителя в приемной системе в сущности равносильна исполь зованию двух генераторов и двух смесителей в каждой из схем, показанных на рис. 3.28. Преимуществом генератора перемен ной частоты на биениях '(рис. 3.28, а) является более широкий частотный диапазон, но он дороже и его труднее достать, чем простой генератор, показанный на рис. 3.28, б.
Полосовой фильтр не пропускает сигналы посторонних ча стот и улучшает отношение еигнал/шум. Полоса пропускания фильтра может быть регулируемой и иметь, например, значения
20, 200 и 2000 Гц.
Применяются логарифмические самописцы, так что ампли туда сигнала записывается в децибелах.
3.7. Автоматические системы |
163 |
Данные о зависимости чувствительности от частоты записы ваются на ленте в прямоугольной системе координат с помощью линейного самописца. Диаграммы направленности записываются или в полярной, или в линейной форме. Механизм поворота столика полярного самописца соединяется и синхронизуется с механическим устройством поворота преобразователя сельси
нами.
Во многих случаях удобно иметь такое постоянство входного тока или напряжения излучателя, которое невозможно получить методами пассивного согласования импедансов. В таких случаях используют стабилизирующую схему, показанную на рис. 3.26 пунктирным прямоугольником. Эта схема вырабатывает сигнал обратной связи для одного из каскадов усилителя мощности.
Многие автоматические системы работают не в непрерывном, а в импульсном режиме. Импульсный режим градуировки под робно рассматривается в разд. 3.8. Импульсное оборудование состоит из трех блоков, показанных на рис. 3.26 пунктирными прямоугольниками. Импульсный генератор посылает импульсы в тракт излучения и в приемный тракт. Схемы стробирования полностью отпирают и запирают тракты, по которым должны проходить сигналы от генератора. Импульсный генератор обес печивает также возможность задержки сигнала, посылаемого на приемный стробируемый блок, на время пробега акустического импульса, распространяющегося в воде с относительно малой скоростью. Регулировка времени задержки позволяет пропускать через приемный тракт только выбранный участок принимаемого импульса. Если импульсный режим не используется, то сигналы пропускают в обход этих блоков.
Результаты градуировки, проведенной с помощью системы типа показанной на рис. 3.26, получаются в виде двух-четырех линий на ленте самописца. Каждая линия представляет собой зависимость тока или напряжения от частоты. Чтобы получить значение чувствительности гидрофона или излучателя, кроме этих зависимостей нужно иметь еще значения ряда постоян ных и квазипостоянных в измерительной установке, таких, как параметр взаимности, чувствительность образцового гидрофона, поправка, учитывающая недостаточное измерительное расстоя ние и т. п. (разд. 3.15).
Обработка данных в действительности может занять больше времени, чем сами измерения. Для ускорения обработки резуль татов градуировки используются разные способы. Если ток или напряжение на излучателе поддерживаются постоянными, то одну из этих величин можно рассматривать при измерениях как постоянную, а не как переменную. Постоянные можно при бавить или вычесть автоматически с помощью специальных схем в приемном тракте установки. Для упрощения обработки
11*
164 |
Гл. III. Основы измерений в свободном поле |
данных можно пользоваться схемами сложения и вычитания напряжений. Если в измерениях участвуют один излучатель и один гидрофон, то можно создать полностью автоматизирован ную установку, позволяющую получить результат градуировки мгновенно, т. е. в реальном времени.
Все необходимые токи и напряжения последовательно изме ряются на частоте сигнала, и данные быстро обрабатываются цифровыми ЭВМ. Эта процедура повторяется на каждой ча стоте. Поскольку ЭВМ обладают большим быстродействием, то скорость изменения частоты при градуировке оказывается не меньше, чем в других методах. При наличии третьего преобразо вателя вычисления в реальном времени трудно выполнимы, так как присутствуют два или более акустических сигнала, интер ферирующих друг с другом. Приходится прибегать к компро миссу и при градуировке гидрофонов методом сравнения с об разцовым.
Очень быструю обработку результатов можно осуществить при хранении данных градуировки не на ленте самописца, а в па мяти ЭВМ. При этом можно осуществить градуировку за не сколько минут. Такая система обработки результатов градуи ровки в квазиреальном времени разрабатывается в Отделении гидроакустических измерений Научно-исследовательской лабо ратории ВМС.
Полной автоматизации градуировочных систем препятствуют акустические и электрические помехи, а также нестабильность преобразователей и среды. Изменения и аномалии можно обна ружить на ленте самописца и скорректировать их. Этого нельзя сделать, если данные хранятся в памяти машины. Конечно, ошибки, обусловленные интерференцией или нестабильностью, можно устранить или обнаружить с помощью дополнительного опыта в методе взаимности.
3.8. ГРАДУИРОВКА В ИМПУЛЬСНОМ РЕЖИМЕ
Импульсный режим при градуировке [11] широко применяется со времени второй мировой войны и используется для устране ния интерференционных эффектов, обусловленных отражениями, стоячими волнами и электрической наводкой. Излучатель воз буждается импульсом или коротким отрезком синусоидального монохроматического сигнала. При этом длительность каждого импульса составляет всего несколько периодов. Приемный тракт регулируется так, что акустический сигнал принимается гидро фоном и измеряется только в тот короткий интервал времени, когда на гидрофон воздействует прямой импульс от излучателя. Импульсы, пришедшие до этого (например, наводка или чисто электромагнитные сигналы) и после этого (например, отраже
