Рассмотрены вопросы градуировки средств измерений звукового давления в воздушной среде (измерительных микрофонов, шумомеров и т. п.). При градуировке средств измерений звукового давления в воздушной среде по свободному полю вторичным методом (методом сравнения с эталонным измерительным микрофоном) одним из источников погрешности является чувствительность эталонного микрофона по свободному полю, определяемая путём применения типовой дифракционной поправки к чувствительности эталонного микрофона по давлению. До настоящего времени такой подход определения чувствительности эталонного микрофона по свободному полю применялся вследствие отсутствия в Российской Федерации эталона, позволяющего реализовать градуировку измерительных микрофонов по свободному полю первичным методом. Также определение чувствительности эталонного микрофона по свободному полю вторичным методом приводило к зависимости от зарубежных акустических лабораторий, являющихся источником данных по типовым дифракционным поправкам для измерительных микрофонов. В рамках курса на обеспечение технологического суверенитета Российской Федерации в ключевых областях измерений и для обеспечения передачи единицы звукового давления в воздухе с высокой точностью средствам измерений, предназначенным для использования в условиях свободного поля, усовершенствован Государственный первичный эталон единицы звукового давления в воздушной среде и аудиометрических шкал ГЭТ 19-2018. Градуировка измерительных микрофонов по свободному полю первичным методом реализована с помощью построенной во ВНИИФТРИ эталонной заглушённой камеры и измерительного оборудования российского производства, которые в совокупности образовали эталонный комплекс ЭК-СП, включённый в состав Государственного первичного эталона единицы звукового давления в воздушной среде и аудиометрических шкал ГЭТ 19-2025. Утверждённый ГЭТ 19-2025 обеспечивает диапазон частот градуировки по свободному полю 1–25 кГц с неисключённой систематической погрешностью в пределах 0,07–0,15 дБ и среднеквадратическое отклонение результата 10 измерений 0,02–0,1 дБ в зависимости от частоты. Повышение точности измерений в условиях свободного звукового поля актуально для отраслей авиа- и двигателестроения, ракетно-космической промышленности, транспорта, связи, экологии и здравоохранения.

Рассмотрены вопросы калибровки средств измерений подводного шума, в роли которых в современной гидроакустике выступают гидроакустические средства измерений – первичные преобразователи и подводные измерительные системы на основе первичных преобразователей. Большое внимание уделяется лабораторным калибровкам в условиях бассейна подводных измерительных систем, размеры которых в несколько раз превышают размеры используемых в них первичных преобразователей. Такие подводные измерительные системы имеют значительную неравномерность чувствительности, поэтому их амплитудно- и фазочастотные характеристики необходимо измерять в свободном поле с высокой детализацией по частоте и калибровать подводные измерительные системы в полосах частот. География применения гидроакустических средств измерений от южных широт до северных (в условиях Северного морского пути) требует исследования зависимости их метрологических характеристик от изменений температуры воды и избыточного гидростатического давления во всём рабочем диапазоне частот от единиц герц до сотен килогерц. Современные технологии подводной звуколокации и связи требуют методов и средств измерений фазовых характеристик чувствительности первичных преобразователей. Для решения перечисленных задач усовершенствован Государственный первичный эталон единиц звукового давления и колебательной скорости в водной среде ГЭТ 55-2017, который позволял передавать единицы величин только первичным преобразователям на частотах третьоктавного ряда и проводить их калибровку при избыточном давлении только в ограниченном частотном диапазоне 5–500 Гц при температуре водной среды 15–25 °С. В результате проведённых исследований улучшены метрологические характеристики, расширены функциональные возможности ГЭТ 55-2017 и утверждён Государственный первичный эталон единиц звукового давления и колебательной скорости в водной среде ГЭТ 55-2025. Поставленные задачи решены включением в состав ГЭТ 55-2025 установок нового поколения и комплекса уникального гидроакустического оборудования, которые были разработаны во ВНИИФТРИ. Описаны эталонные установки и гидроакустическое оборудование, входящие в состав ГЭТ 55-2025. Приведены метрологические характеристики ГЭТ 55-2025. В ГЭТ 55-2025 реализованы и обеспечены: воспроизведение и передача единицы звукового давления в водной среде с минимальным шагом по частоте 1 Гц в диапазоне 500–1·10⁶ Гц; исследования характеристик гидроакустических средств измерений по свободному полю в диапазоне 2–500 кГц при избыточном давлении до 15 МПа и температуре водной среды 4–35 °С; измерение фазочастотных характеристик чувствительности первичных преобразователей в диапазоне частот 50–200 кГц; измерение частотных характеристик чувствительности подводных измерительных систем длиной не более 3 м и массой не более 50 кг в диапазоне частот 1–250 кГц с разрешением по частоте 1 Гц; воспроизведение и передача единицы фазового угла чувствительности первичных преобразователей. ГЭТ 55-2025 обеспечил принцип опережающего развития метрологии в гидроакустике.

Рассмотрены задачи структурного анализа статистических данных и построения линейных моделей стохастических зависимостей в условиях априорной неопределённости данных. Предложена и исследована модифицированная оценка коэффициента корреляции, которая является основой структурного анализа статистических данных. В отличие от традиционного коэффициента корреляции Пирсона модифицированная оценка основана на нормировании случайных величин по модам их плотностей вероятностей. Для поиска мод законов распределения использованы ядерные оценки плотностей вероятностей анализируемых случайных величин. Коэффициенты размытости ядерных функций непараметрических оценок плотностей вероятностей выбраны из условия максимума функции правдоподобия. Альтернативным подходом к выбору коэффициентов размытости является минимизация средних квадратических отклонений непараметрических оценок плотностей вероятностей. Исследованы оценки традиционного и модифицированного коэффициентов корреляции и рассмотрено их применение при построении линейных аппроксимаций статистических зависимостей. Использованы данные дистанционного зондирования тестового участка лесного массива, повреждённого сибирским шелкопрядом. Определены два набора пар спектральных признаков, отличающихся большими и малыми значениями рассматриваемых оценок коэффициентов корреляции. Сравнены оценки коэффициентов корреляции и проанализированы соответствующие им непараметрические оценки плотностей вероятностей спектральных признаков. При анализе ошибок линейных аппроксимаций зависимостей между спектральными признаками определены условия преимущества традиционной и модифицированной оценок коэффициентов корреляции. Полученные результаты можно применять при синтезе алгоритмов структурного анализа данных дистанционного зондирования природных объектов.

В государственных поверочных схемах погрешности первичных эталонов единиц величин заменяются оценками неопределённости измерения. Это связано с отсутствием явного словесного и математического определения термина погрешность первичного эталона. Однако недостатком оценок неопределённости измерения является риск их несостоятельности из-за отсутствия проверки условия применимости. Такое условие практически сформулировано в «Руководстве по выражению неопределённости измерения», но не имеет количественного критерия. Причина недостатка – неполнота описания измеряемой величины в методе косвенного измерения, неадекватность соответствующего уравнения или математической модели объекта измерений. В настоящей статье погрешность первичного эталона единицы величины определена на основе формулы обращения. Формула рассмотрена как распределение вероятностей отклонений от номинального (номинативного) значения воспроизводимой величины с использованием данных, полученных согласно поверочным схемам. Применение этого распределения в качестве характеристики воспроизводимости позволяет контролировать условия сходимости. Это снимает проблему истинного значения как неизвестной величины, послужившей основанием для замены понятия погрешности на неопределённость измерения.

Описаны проблемы, возникающие при калибровке средств измерений и связанные с математической обработкой протокола измерений, в частности, с использованием композиционного подхода к оцениванию точности результатов калибровки. Представлены методические особенности и эффективная технология математической обработки протокола калибровки согласно действующим нормативным документам Р 50.2.004-2000 «ГСИ. Определение характеристик математических моделей зависимостей между физическими величинами при решении измерительных задач. Основные положения», МИ 1317-2004 «ГСИ. Результаты и характеристики погрешности измерений. Формы представления. Способы использования при испытаниях образцов продукции и контроле их параметров» и МИ 2916-2005 «ГСИ. Идентификация распределений вероятностей при решении измерительных задач» с применением специализированного и разнообразного неспециализированного программного обеспечения. С целью совершенствования композиционного подхода создано программное обеспечение «ММИ-калибровка 3.0». Программа «ММИ-калибровка 3.0» учитывает погрешности, возникающие из-за неадекватности калибровочной функции, а также формирует диаграмму калибровки с учётом толерантных интервалов для заданного уровня доверительной вероятности для наиболее трудоёмкой части калибровки – статистической обработки протокола измерений. В рамках программы «ММИ-калибровка 3.0» можно применять обобщённое решение задачи калибровки, основанное на композиционном подходе и позволяющее ускорить и упростить вычислительную часть задачи. Полученные результаты будут полезны специалистам калибровочных (поверочных) лабораторий.

Рассмотрена задача повышения точности измерений влажности зерна при минимизации аппаратной части диэлькометрического влагомера. Для её решения предложена алгоритмическая компенсация погрешностей аналогового тракта, реализованная на базе 8-разрядного микроконтроллера. Разработанный алгоритм преобразования ёмкости чувствительного элемента (датчика) в цифровой код предусматривает высокие скорости изменения тестового напряжения и обеспечивает прямое сопряжение датчика с микроконтроллером. Разработаны программные и аппаратные средства измерительного преобразователя ёмкости, определены его основные характеристики и оценена возможность применения в составе диэлькометрических влагомеров зерна. В качестве тестового сигнала, подающегося через эталонный резистор на ёмкостный датчик, использован однополярный меандр, формируемый встроенным в микроконтроллер таймером/ счётчиком. Приложенные к датчику максимальное и минимальное напряжения преобразуются в цифровые коды, которые используются для расчёта действительного значения ёмкости. Также для расчёта ёмкости использован параметр, который зависит от сопротивления эталонного резистора и частоты меандра. Преобразование напряжений в цифровые коды реализовано методом сравнения с эталонным напряжением, которое формируется встроенным в микроконтроллер широтно- импульсным модулятором и внешним RC-фильтром. Для сравнения напряжений применён встроенный в микроконтроллер аналоговый компаратор. Методом имитационного моделирования исследована зависимость параметров преобразованого тестового сигнала от ёмкости датчика. Модель разработана в среде SimInTech, ориентированной на решение задач математического моделирования, синтеза алгоритмов управления и программирования вычислительных устройств. Экспериментальный измерительный преобразователь ёмкости построен на базе платы Arduino Nano (Arduino, Италия), содержащей микроконтроллер ATmega328PB (Microchip Technology Inc, США). Частота меандра в эксперименте 500 кГц. В диапазоне изменения ёмкости 25–45 пФ разрешающая способность измерительного преобразователя ёмкости составила 0,1 пФ. Отклонение результатов измерений от заданных значений ёмкости, измеренных прецизионным прибором LCR-819 (GW Instek, Тайвань), не превысило ±0,2 пФ. Измерительный преобразователь ёмкости испытан в составе экспериментальных влагомеров, изготовленных авторами статьи, в диапазоне 9–19 % влажности зерна пшеницы при температуре зерна 23– 25 °С. Отклонение результатов измерений влажности зерна пшеницы экспериментальными влагомерами не превысило ±0,6 % влажности, определяемой по ГОСТ 13586.5-2015 «Зерно. Метод определения влажности». Оптимальная область применения преобразователя – информационно-измерительные и управляющие системы на базе ёмкостных датчиков.

Рассмотрено определение действительных метрологических характеристик мер регулярной шероховатости поверхности с целью распространения измерительных возможностей совершенствуемого Государственного первичного специального эталон единицы длины в области измерений параметров шероховатости R_max, Rz и Ra ГЭТ 113-2014 на воспроизведение единицы длины шаговых параметров шероховатости Sm. На основе проведённого анализа зарубежных разработок и экспериментальных исследований метрологических характеристик мер единицы длины в латеральном (1D и 2D эталонных решёток) и вертикальном направлениях сформулированы требования к эталонной установке на базе профилометра Form Talysurf PGI и к параметрам калибровки образцов трапецеидальной шероховатости. Разработана система калибровки мер регулярной шероховатости поверхности. Система включает эталонную установку на базе щупового профилометра Form Talysurf PGI (Taylor Hobson, Великобритания) и лазерный интерферометр перемещений XL-80 (Renishaw, Великобритания), а также программно-методическое обеспечение обработки результатов калибровки. Установка предназначена для выявления и программной компенсации систематических погрешностей измерений высотных Ra и шаговых Sm параметров шероховатости. Шкальный лазерный интерферометр перемещений использован для прослеживаемости результатов измерений параметров шероховатости в вертикальном направлении вдоль оси OZ щуповым профилометром Form Talysurf PGI к единице длины – метру. Для прослеживаемости результатов измерений щуповым профилометром Form Talysurf PGI в латеральном направлении вдоль оси ОХ разработана измерительная установка, в которой на подвижном блоке щупа профилометра установлен отражатель лазерного интерферометра перемещений XL-80. Для апробации разработанной системы калибровки мер регулярной шероховатости поверхности откалиброваны решётки с профилем трапецеидального вида и номиналами шагов 20, 50 и 100 мкм. Экспериментально исследован комплект разработанных мер передачи единицы длины в области измерений параметров шероховатости поверхности в латеральном и вертикальном направлениях. Рассчитан и проанализирован бюджет неопределённости измерений, неопределённость калибровки оценена как ±2σ (σ – среднее квадратическое отклонение результатов измерений). Расширенная неопределённость калибровки мер высотных параметров Ra регулярной шероховатости составила 0,0018–0,0032 мкм для мер шероховатости с номинальными значениями 0,03…0,04 мкм. Расширенная неопределённость калибровки мер шаговых параметров Sm регулярной шероховатости составила 0,12–0,36 мкм для мер с номинальными значениями 100, 50, 20 мкм. Комплект откалиброванных с помощью разработанной системы мер высотных и шаговых параметров шероховатости с рассчитанными расширенными неопределённостями калибровки предназначен для передачи средствам измерений единицы длины в области измерений параметров шероховатости поверхности в латеральном и вертикальном направлениях.

Рассмотрены различные преобразователи линейного ускорения, отмечены их достоинства и недостатки. Классические микроэлектромеханические акселерометры миниатюрны, но подвержены электромагнитным помехам, а их метрологические характеристики недостаточно стабильны. Традиционные волоконно-оптические датчики на базе волоконных брэгговских решёток или интерферометров Фабри-Перо обеспечивают высокую чувствительность, однако отличаются сложностью оптической схемы, крупными габаритами и высокой чувствительностью к температурным дрейфам, что затрудняет их интеграцию в системы навигации, авионики, космической техники. Разработан оптический преобразователь линейного ускорения на основе управляемых связанных оптических волноводов. Функциональная схема преобразователя включает чувствительный элемент, источник оптического излучения, фотоприёмники, преобразователи «ток – напряжение» и дифференциальную схему обработки. Предложена математическая модель, описывающая зависимость коэффициента связи оптических волноводов от механических напряжений, индуцированных ускорением. Модель учитывает влияние фотоупругого эффекта. Проведено математическое моделирование работы преобразователя при различных геометрических параметрах конструкции чувствительного элемента. Проведены экспериментальные исследования оптического преобразователя линейного ускорения, которые подтвердили достоверность предложенной модели: достигнута чувствительность 10,5 мВ·с²·м^–1 при нелинейности не более 0,68 % в диапазоне ускорений ±200 м/с². Показана работоспособность преобразователя на основе оптического разветвителя со сплавными волноводами. Такой преобразователь может быть выполнен также на основе планарных связанных волноводов.

Рассмотрена актуальная для оптической промышленности задача уменьшения погрешности измерений интерферометрами параметров отклонения от плоскостности оптических поверхностей. Показано, что для уменьшения погрешности данных измерений необходимо исключить составляющую, вызванную отклонениями формы референтных поверхностей оптических элементов интерферометров Физо или Тваймана-Грина. Кратко описаны две основные группы методов уменьшения погрешности измерений отклонений от плоскостности: методы с использованием жидкостного эталона и методы трёх поверхностей. Разработан метод математической компенсации отклонения от плоскостности референтных оптических элементов (насадок) в интерференционных установках типа Физо. Данный метод основан на методе трёх плоскостей с разложением волнового фронта по полиномам Цернике до пятого порядка и позволяет определять топографию референтных поверхностей насадок. Для реализации метода трёх плоскостей выведены математические выражения, по которым определены основные параметры отклонения формы референтных поверхностей. Представлены результаты практической реализации метода трёх плоскостей с применением меры отклонения от плоскостности диаметром 300 мм. Экспериментальные исследования проведены в Научно-исследовательском институте оптико-электронного приборостроения. Оценены составляющие инструментальной погрешности измерений. Выявлено, что наибольший вклад в погрешность измерений вносят случайная погрешность измерений и составляющая, вызванная деформацией используемых плоских пластин при их вращении. Применение предложенного метода математической компенсации позволило уменьшить погрешность измерений параметров отклонения от плоскостности оптических поверхностей более чем на 30 %. Данный метод можно рекомендовать для контроля качества отклонения формы оптических крупногабаритных деталей на оптико-механических предприятиях.

Для оценки состояния движущихся машин применяются в основном датчики вибрации контактного типа – акселерометры. Их восприимчивость к электромагнитным помехам, необходимость крепления к каждому контролируемому элементу, а также невозможность размещения на вращающихся частях машин сужают возможности вибрационного анализа и его мобильность. Для повышения мобильности поиска дефектов и защиты сигнала датчика от импульсных электромагнитных помех, присутствующих на производстве и маскирующих сигналы – признаки дефектов, предложен метод бесконтактной диагностики состояния движущихся машин. Моделирование метода реализовано на базе двухканального микроволнового интерферометрического датчика перемещений, предназначенного для оценки технического состояния зубчатой передачи по её вибрации. Прямое преобразование вибрации в перемещение достигнуто за счёт квадратурной обработки выходного сигнала датчика. Диагностика состоит в поиске признаков дефектов в виде специфических частот полученного сигнала, присущих конкретному дефекту. Данные частоты характерны для повреждений зубьев шестерён, для рассогласования валов и повреждений связанных с ними подшипников. Для поиска частот дефектов использованы процедуры синхронного временно́го усреднения, вычисление огибающих сигнала, спектральный анализ и цифровая фильтрация. Для увеличения отношения сигнал/шум выполнена предварительная обработка сигнала с выделением спектрального эксцесса и определены параметры полосового фильтра, необходимые для повторной фильтрации. Возникновение и локализация деградации определённого компонента зубчатой передачи на ранней стадии установлены путём выделения характерных гармоник сигнала, обусловленного соответствующим дефектом. Полученные результаты актуальны для мобильного бесконтактного мониторинга дефектов по вибрации машин с движущимися и вращающимися частями. В условиях промышленного предприятия предложенный метод дешевле и надёжнее лазерного метода и нечувствителен к звуковым помехам, свойственным акустическому методу.

В рамках актуального направления исследований в области речевой акустики – неинвазивного анализа процессов речеобразования – рассмотрена острая проблема недостаточной точности параметрических методов кодирования голосового источника турбулентного (шумового) типа. Для решения указанной проблемы разработан метод кодирования, основанный на гибридной модели линейного предсказания, в которой совмещаются преимущества параметрического и непараметрического подходов к моделированию речевых сигналов. Параметрический подход реализован в форме вектора коэффициентов линейного предсказания, а непараметрический подход – в форме клиппированной последовательности отсчётов ошибки линейного предсказания. С использованием авторского программного обеспечения поставлен и проведён натурный эксперимент над множеством звуков шёпотной речи контрольного диктора. Показано, что по сравнению с известным методом кодирования турбулентного источника на основе модели линейного предсказания с шумовым возбуждением разработанный метод характеризуется выигрышем 2,5 дБ и более в метрике относительного среднего квадратического значения ошибки линейного предсказания при гарантированной узнаваемости голоса диктора по декодированному (восстановленному) речевому сигналу. Полученные результаты будут полезны при разработке малозатратных систем и технологий цифровой обработки, синтеза и передачи речи с многократным сжатием данных. К числу перспективных направлений применения разработанного метода относятся системы цифровой голосовой биометрии, в которых узнаваемость голоса диктора является ключевым требованием к методу кодирования речевого сигнала.