Фазоимпульсный метод оценки времени пробега звуковой волны при измерениях скорости звука в водной среде

Рассмотрены вопросы повышения точности измерений скорости звука в воде с использованием как эталонных установок, так и малогабаритных автономных измерителей. Обсуждены способы оценки времени пробега звуковой волны при измерениях скорости звука в водной среде времяпролётным методом с переменной базой. Показаны общие недостатки этих способов – малое количество характерных точек сигналов, используемых для оценки временных интервалов, и субъективность выбора характерных точек. Предложен вариант фазоимпульсного метода, позволяющий получать интегральную оценку времени пробега звуковой волны. Приведено теоретическое обоснование применимости метода для измерения скорости звука в водной среде. Время пробега оценивают по частотной зависимости набега фазы звуковой волны, которую получают как разность фазовых спектров (взаимный фазовый спектр) разнесённых по времени приёма копий широкополосных сигналов. В отсутствие дисперсии звука взаимный фазовый спектр представляет собой пропорциональную частоте зависимость набега фазы звуковой волны. Аппроксимируя взаимный фазовый спектр линейной регрессионной моделью, частотную зависимость преобразуют в числовой параметр, с точностью до 2π равный времени пробега звуковой волны. Использование взаимного фазового спектра позволяет исключить субъективный фактор при выборе характерных точек сигнала, контролировать качество эксперимента, значительно повышать помехозащищённость измерений, улучшать статистические характеристики получаемой оценки. Описан эксперимент по опробованию предложенного метода. Найденные оценки скорости звука не уступают по точности эмпирическим формулам и стандартизованным табличным значениям. Полученные результаты будут полезны при дальнейших исследованиях, направленных на повышение точности измерений скорости звука с применением фазоимпульсного метода до точности, предъявляемой к эталонным установкам.

1. Wayne D. Wilson. Speed of sound in sea water as a function of temperature, pressure, and salinity. Journal of the Acoustical Society of America, 32(6), 641–644 (1960). https://doi.org/10.1121/1.1908167

2. Del Grosso V. A. New equation for the speed of sound in natural waters (with comparisons to other equations). Journal of the Acoustical Society of America, 56(4), 1084–1091 (1974). https://doi.org/10.1121/1.1903388

3. Chen-Tung Chen, Frank J. Millero. Speed of sound in seawater at high pressures. Journal of the Acoustical Society of America, 62(5), 1129–1135 (1977). https://doi.org/10.1121/1.381646

4. George S. K. Wong, Shi-ming Zhu. Speed of sound in seawater as a function of salinity, temperature, and pressure. Journal of the Acoustical Society of America, 97(3), 1732–1736 (1995). https://doi.org/10.1121/1.413048

5. Микушин И. И., Серавин Г. Н. Методы и средства измерений скорости звука в море. Судостроение, СанктПетербург (2012).

6. Серавин Г. Н., Микушин И. И., Лобанов В. Н. Прямые импульсные методы измерения скорости звука в жидкости. Известия ЮФУ. Технические науки. Тематический выпуск, (9(122)), 238–243 (2011).

7. Бабий В. И. О метрологии скорости звука в жидкости. Акустический журнал, 63(3), 251–264 (2017). https://doi.org/10.7868/S0320791917030030 ; https://elibrary.ru/ysdmpr

8. Белогольский В. А., Саморукова Л. М., Сильвестров С. В. Времяпролётный способ определения скорости звука в жидкой среде и устройство для его осуществления: Патент RU 2529734. Изобретения. Полезные модели, № 27 (2014).

9. Liuqing Yang, Jun Zhang, Jiaheng Wang. Sound speed measurement using phase estimation method of pulse signal in water. Proc. conference 2021 OES China Ocean Acoustics (COA), 4–17 July 2021, Harbin, China. https://doi.org/10.1109/COA50123.2021.9519875

10. Jun Zhang, Yi Chen, Jingzhao Ji. Accuracies for different measuring methods of sound speed in water. Proc. 25th International Congress on Sound and Vibration (ICSV 25), 8–12 July 2018, Hiroshima.

11. Исаев А. Е., Поликарпов А. М. Примеры решения метрологических задач с использованием преобразования Гильберта для обработки данных. Альманах современной метрологии, (2(42)), 113–157 (2025).