книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения

Р. Дж. БОББЕР

ГИДРОАКУСТИЧЕСКИЕ

ИЗМЕРЕНИЯ

Перевод с английского

Б. И. РОМАНЮКА и А. Д. ШПИЛЬКИНА

Под редакцией

А. Н. ГОЛЕНКОВА

ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР

МОСКВА 1974

УДК 534(204.1)

Монография известного американского специалиста в области гидроакустики посвящена теории и практике гидроакустических измерений, широко применяющихся сейчас для решения разно­ образных научно-технических задач. Рассмотренные в книге ме­ тоды и аппаратура находят применение, помимо акустики, в гео­ логии, медицине, механике и физике твердого тела.

Наиболее полно рассматривается градуировка преобразовате­ лей, неразрывно связанная с проблемой измерения звука в воде. Изложены практически все современные методы градуировки, а также основные типы американских гидрофонов и излучателей, их конструкции и характеристики. Автор дает много полезных со­ ветов и рекомендаций по практическому использованию описы­

ваемых методов.

Книга богато иллюстрирована рисунками и графиками, напи­ сана ясно и сжато, не перегружена математическими выкладками. Она представит несомненный интерес для научных и инженер­ но-технических работников, имеющих дело с гидроакустическими измерениями, а также для специалистов многих смежных обла­ стей. Ее можно рекомендовать и в качестве учебного пособия для аспирантов и студентов акустических специальностей.

Редакция космических исследований, астрономии и геофизики

ОТ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА

Гидроакустические измерения вышли сегодня за пределы ла­ бораторных исследований и получили широкое применение при решении разнообразных практических и научных задач, причем не только в гидроакустике. Гидроакустические методы исследования и приборы применяются в геологии, медицине, в работах по точной механике, по физике твердого тела и в дру­ гих областях науки и техники, где приходится иметь дело с до­ статочно плотной средой. Существенно расширился круг специа­ листов, нуждающихся в овладении практикой гидроакустиче­ ского эксперимента, основой которого являются подводные электроакустические измерения.

Монография Р. Боббера посвящена теории и практике гидро­ акустических измерений. Книга содержит также описание ори­ гинальных работ самого автора — известного специалиста США в области гидроакустики. Основное внимание автор уделил гра­ дуировке гидрофонов (и излучателей), так как она неразрывно связана с проблемой измерения звука (главным образом зву­ кового давления) в воде и по существу определяет уровень точ­ ности всех гидроакустических измерений. Кроме того, при гра­ дуировке преобразователей наиболее отчетливо проявляются спе­ цифические особенности условий среды, зависящие от частоты.

В книге эти общие особенности рассмотрены на примерах конкретных методов измерений, причем одинаковое внимание

уделено как акустической, так и электрической частям уста­ новок.

Описаны практически все современные методы градуировки

ных гидрофонов и излучателей, разработанных и применяемых в США в качестве образцовых.

К достоинствам книги бесспорно следует отнести простоту изложения материала в практической трактовке, а также то, что автор подмечает некоторые тонкости, которые часто выпадают из поля зрения начинающих исследователей и специалистовнегидроакустиков.

В книге содержится много квалифицированных практических рекомендаций, сделанных автором на основе его многолетнего опыта работы в области гидроакустических измерений.

Несмотря на минимум математических выкладок, книга дает ясное представление о физических основах современных элект­ роакустических методов измерений в гидроакустике. Книга бо­ гато иллюстрирована рисунками, схемами, графиками, поясняю­ щими изложение и восполняющими в ряде случаев его краткость.

При переводе книги единицы измерений даны в системе СИ (или СГС); были по возможности устранены редакционные погрешности и опечатки, замеченные в оригинале. Как правило, сохранялись обозначения и сокращения оригинала. Однако в не­ которых случаях, ,в частности в формуле (3.46), обозначения были изменены на обычно применяемые в отечественной лите­ ратуре. Термин «затенение» («shading») в гл. 2 имеет общий смысл изменения поля в апертуре (см. книгу Л. Кампа «Подвод­ ная акустика», изд-во «Мир», 1972, стр. 180); в более узком смысле изменения профиля амплитуды (в гл. 4) он переведен как «спадание».

Книга предназначена для научных работников и инженеров, занимающихся гидроакустическими измерениями и вопросами прикладной гидроакустики, для работников морского и речного флота, метрологических и заводских акустических лабораторий, а также для специалистов смежных областей, занимающихся, например, акустическими методами неразрушающего контроля, динамическими испытаниями материалов, сейсмокардиографией в медицине и т. п. Ее можно использовать и как учебное по­ собие для аспирантов и студентов акустических специальностей.

Перевод книги выполнен Б. И. Романюком (гл. I, IV, V) и

А. Д. Шпилькиным (гл .II, III, VI).

А. Н. Голенков

ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ

Книга написана на основании 20-летнего опыта работы ав­ тора, а также проведенных им исследований и наблюдений в качестве сотрудника Лаборатории гидроакустических измере­ ний ВМС США. С самого начала ее образования в 1941 г. как научно-исследовательской лаборатории отделения военных ис­ следований Колумбийского университета эта организация спе­ циализируется в области подводных электроакустических изме­ рений. В 1945 г. она стала Лабораторией гидроакустических измерений (USRL) ВМС, а в 1966 г.— Отделением гидроакусти­

ческих измерений Научно-исследовательской лаборатории ВМС

(USRD—NRL). У

Можно надеяться, что книга будет полезным справочным по­ собием для многих специалистов ВМС и промышленности, свя­ занных с разработкой, эксплуатацией гидроакустических стан­ ций и с другими аспектами подводной электроакустики, а также для ученых, инженеров и техников, использующих в своей прак­ тической работе гидроакустические преобразователи.

Роберт Дж. Боббер

I

ВВЕДЕНИЕ

1.1. ЦЕЛЬ КНИГИ

Всем, кто связан с исследованием и использованием глу­ бин океана в военных, промышленных или научных целях, при­ ходится сталкиваться с проблемами локации и связи, весьма отличными от аналогичных проблем в любой другой среде. Вод­ ная среда — серьезное препятствие для проникновения в ее толщу человека и аппаратуры. Она практически непрозрачна для лучей видимой и инфракрасной областей спектра, для из­ лучений радио- и СВЧ-диапазонов — всех тех известных нам ви­ дов электромагнитного излучения, которые используются для локации и связи в атмосфере и космическом пространстве. Аку­ стические сигналы являются в настоящее время (и, вероятно, останутся в будущем) наиболее эффективным средством пере­ дачи информации в воде на расстояния свыше нескольких метров.

Поэтому электроакустические преобразователи , являются практически единственным средством для приема звука в воде и в большинстве случаев для генерирования в ней управляемых акустических сигналов.

Электрические и акустические измерения, описанные в этой книге, служат для градуировки, испытаний или оценки гидро­ акустических преобразователей, а также для обеспечения не­ посредственного излучения, обнаружения и измерения акусти­ ческих сигналов в воде, выражаемых обычно в единицах зву­ кового давления. И те и другие измерения мы будем относить к подводным электроакустическим измерениям.

Потребность в подводных электроакустических измерениях возникла в связи с развитием гидроакустических средств воен­ ного назначения для навигации, локации, связи, которые в пер­ вую очередь дали толчок для разработки методов подобных из­ мерений. Однако определенную роль сыграло и использование звука в жидких средах для ультразвуковой терапии, ультразву­ ковых методов очистки, линий задержки, измерителей потока жидкости. Возрастающий в последние годы интерес к океано­ графии и морским наукам еще более усилил значение подвод­ ной акустики и электроакустики в научных исследованиях и при решении практических задач. Поскольку человек, проникая на все большие глубины океана, старается освободиться от стесняющих его электрических кабелей, электроакустические

10 Гл. I. Введение

приборы становятся его глазами, ушами и голосовым аппаратом в воде.

Акустика, особенно гидроакустика,— не очень точная наука. Обычно вторая значащая цифра, получаемая в измерениях, сом­ нительна, а третья часто не имеет смысла. Точность измерений порядка ±1 дБ (или примерно ±10% от амплитудного значе­ ния) в большинстве случаев оказывается вполне достаточной. В определенной степени это объясняется нестабильностью вод­ ной среды и неблагоприятной окружающей обстановкой, в ко­ торой должны использоваться электроакустические приборы. Если исключить условия работы в лабораториях, вода не яв­ ляется простой, стабильной, однородной, спокойной и безобид­ ной средой, как о ней может сложиться мнение у неспециалиста. Влияния температуры, гидростатического давления, растворен­ ных солей и газов, морских организмов, загрязняющих веществ, пузырьков воздуха, метеорологических и граничных условий яв­ ляются настоящим бичом для тех, кто занимается гидроакусти­ ческими измерениями в океане. Действительно, физико-химиче­ ские свойства самой воды изучены еще плохо [1—3]. Проекти­ рование приборов, пригодных для длительной работы в воде, до сих пор является молодой областью техники.

Водная среда имеет значительно большую плотность и, сле­ довательно, существенно меньшую податливость, чем воздух. Волновое сопротивление воды в 3500 раз больше, чем воздуха. Эти свойства, а также нестабильность и «агрессивность» боль­ шого объема водной среды приводят к тому, что аппаратура для

ввоздухе.

Вряде хорошо известных книг [4—15] и в справочных ма­ териалах [16] освещаются теория и методы электроакустических измерений, но в очень ограниченной степени или только приме­ нительно к акустике воздушной среды. В данной книге автор поставил перед собой задачу дать всесторонний обзор теории и практики подводных электроакустических измерений. Единст­ венным литературным источником в этой узко специализирован­ ной области техники были так называемые «красные книги» периода второй мировой войны [17—20], которые широко из­ вестны, но к настоящему времени уже устарели.

1.2.КРАТКАЯ ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

История развития методов и техники градуировки подводных электроакустических преобразователей начинается примерно в 1941 г. До того времени интерес к этой области техники был весьма ограниченным и развивалась она слабо. Некоторые

ученые, главным образом за пределами США [21—25], прово­ дили эксперименты по разработке методов измерения звуко­ вого давления в жидкостях. Однако эти методы были весьма сложными и их практическое применение редко выходило за рамки лабораторных работ. Были разработаны методы градуи­ ровки микрофонов в воздухе, но они не позволяли производить подводные измерения и ограничивались диапазоном частот, ле­ жащих в области слышимых звуков. В 1941 г., накануне вступ­ ления США во вторую мировую войну, возможности ВМС США в части градуировки преобразователей гидроакустических стан­ ций были крайне незначительны.

Управление по научным исследованиям и разработкам, при­ знав отставание в этой области исследований, в июле 1941 г. заключило контракт с фирмой «Белл телефон лэборэтриз» (BTL), а в марте 1942 г.— с Отделением военных исследований Колумбийского университета (CUDWR) на организацию лабо­ ратории гидроакустических измерений. Фирма «Белл» должна была оснастить эту лабораторию контрольно-измерительными приборами и измерительными системами, а отдел военных ис­ следований Колумбийского университета — обеспечить ее кад­ рами, способными разрабатывать методы и осуществлять гра­ дуировки гидроакустических приборов.

В 1940 и 1941 гг. Маклин [26] и Кук [27] независимо друг от друга разработали методы градуировки электроакустичес­ ких преобразователей на основе принципа взаимности. Для ре­ ализации этих методов требовалось провести только электриче­ ские измерения и использовать несколько легко определяемых постоянных. Метод градуировки с использованием принципа вза­ имности оказался важным научным достижением, которое про­ двинуло вперед научные основы градуировки преобразователей гидроакустических станций. Летом 1942 г., спустя несколько ме­ сяцев после организации Лаборатории гидроакустических изме­ рений, она начала изучать и проверять экспериментально ос­ новы градуировки с использованием принципа взаимности и установила, что этот метод является точным и надежным спосо­

бом испытаний и оценки преобразователей гидроакустических станций.

В период с 1942 по 1945 г. разработка методов градуировки, испытания и оценки преобразователей гидроакустических стан­ ций в Лаборатории гидроакустических измерений [17], в специа­ лизированных лабораториях Гарвардского [19] и Калифорний­ ского университетов [20] продвигалась очень быстро. Метод градуировки с использованием принципа взаимности был постав­ лен на прочную теоретическую и экспериментальную основу. Были разработаны практические процедуры проведения изме­ рений в мелководных озерах и бассейнах.