книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения

112 Гл. II. Методы и теория

динамический импеданс получаются путем экстраполяции, как показано пунктирными прямыми на рис. 2.52, а. Если изображать составляющие импеданса отдельно, то Gb представляет собой постоянную, Yb— вертикальную пря­

рованную схему, приведенную на рис. 2.51, б, нужно изменить. Изменение обычно заключается в перегруппировке сопротивле-

Рис. 2.54. Импеданс преобразователя с электрической связью. Пунктирная петля — вторичный резонанс.

ний и индуктивностей в некоторые последовательно-параллель­

ные комбинации и во введении фазового угла для коэффици­ ента qpm.

При согласовании импедансов или вычислении к. п. д. лучше иметь дело с импедансами, а не с адмитансами, независимо от типа преобразователя. Годограф импеданса для пьезоэлектри­ ческого преобразователя показан на рис. 2 .5 4 .

скажем 105%, не следует отбрасывать, так как из этого можно сделать определенный вывод, при условии достаточно хорошей оценки погрешности измерений. Предположим, что эта погреш­ ность оценена в ±10% . Тогда измеренное значение 75% озна­ чает, что к. п.д., вероятно, находится в интервале значений от 65 до 85%. При той же погрешности измеренные 105% озна­ чают, что реальный к. п.д. лежит в пределах от 95 до 115%- По­ скольку к. п. д. более 1 0 0 % невозможен, можно заключить, что действительный к. п. д. должен находиться в относительно узком диапазоне от 95 до 100%. Эти рассуждения не могут заменить хорошую точность измерений, и ими следует пользоваться с ос­ торожностью. Тем не менее измеренные значения (выше 100%) не следует всегда автоматически отбрасывать как бесполезные.

2.14.1. Прямой метод

В прямом методе измеряется входная мощность, как в слу­ чае чисто электрического измерения, с использованием одного из следующих известных соотношений:

ческих и механических сопротивлений, а также от сопротивле­ ния излучения и в общем случае не являются частотно-незави­

вого давления на оси на расстоянии г, Io= prlpc, то

динамического адмитанса при нормальной нагрузке на воду дается формулой Dw = (p2/(Rm+Rr)- Если преобразователь ра­ ботает в воздухе, то Rr равен нулю во всех практических слу­ чаях и диаметр окружности динамического адмитанса для воз­

где G — полная проводимость при резонансе.

Rm/fz

Rr/?2

Рис. 2.55. Эквивалентная схема электроакустического преоб­ разователя, когда динамический импеданс j(X m+ J r)/<p2 равен нулю.

Аналогично для преобразователей с магнитной связью мож­ но показать, что

где Dw и Da теперь обозначают диаметры окружностей динами­ ческих импедансов, a R — полное сопротивление при резонансе.

с большей точностью, чем акустическое давление, и может сло­ житься впечатление, что импедансный метод лучше, чем пря­ мой. Это неверно. Помимо погрешностей измерений, импеданс­ ный метод основан на исходных предположениях о том, что электроакустический преобразователь точно описывается экви­ валентной схемой, изображенной на рис. 2.51, в которой импе­ дансы представляют собой сосредоточенные параметры, неза­ висимы друг от друга и в системе нет паразитных импедансов. Множество получаемых на практике необычных импедансных

преобразователей. Это также связано с типом самого преобра­ зующего элемента. Напомним, что многие пьезоэлектрические преобразователи состоят из кристаллов или керамических эле­ ментов, погруженных в масло и заключенных в резиновый кор­ пус. Удаление водной нагрузки не уменьшает импеданс излуче­ ния до нуля. Резина и масло остаются и нагружают кристалл. Если окажется, что слой резины и масла имеет толщину, при­ мерно равную четверти длины волны, то импеданс излучения в действительности будет выше в воздухе, чем в воде! Более детальное описание теории импедаисного метода можно найти в литературе [45, 54, 55].

Импедансный метод следует применять в случаях, когда удобства применения важнее, чем необходимость получить вы­ сокую точность.

2.15. ЛИНЕЙНОСТЬ И ДИНАМИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН

Линейность и динамический диапазон являются связанными понятиями, так как оба они относятся к зависимости градуи­ ровки преобразователя от уровня сигнала.

Понятие «линейность» имеет точный математический смысл. Преобразователь линеен, если его выходная величина пропор­ циональна входной, т. е. если отношение величин выход/вход постоянно и не зависит от абсолютного значения входной и вы­ ходной величин. Если выходная величина представлена как функция входной в прямоугольной системе координат с линей­ ным масштабом, то преобразователь линеен в той области, где график представляет собой прямую линию. Для гидрофона

ной величиной является давление свободного поля, а входной — ток или напряжение.

Динамический диапазон имеет менее точное определение, чем линейность. В общем случае он является мерой диапазона изменений амплитуды сигнала, в котором гидрофон можно ис­ пользовать для обнаружения и измерения звукового давления. Обычно динамический диапазон определяют как «разность между уровнем давления перегрузки и уровнем звукового дав­ ления, эквивалентного шуму».

Термин «перегрузка» не имеет точного смысла ни в качест­ венном, ни в количественном отношении. Перегрузка может быть вызвана искажением сигнала, перегревом, магнитным на­ сыщением, повреждением и т. д. Метод определения перегрузки должен быть указан. Любые количественные критерии, напри­ мер процент содержания гармоник в сигнале, также должны быть определены.

ратичное синусоидальное давление, которое создало бы средне­ квадратичное значение напряжения, равное напряжению, созда­ ваемому собственным шумом преобразователя при измерении шума в полосе 1 Гц на центральной синусоидальной частоте. Таким образом, звуковое давление, эквивалентное шуму, равно теоретическому порогу, при котором отношение сигнал/шум равно 1, т. е. О дБ. На практике порог, или минимальное значе­ ние обнаруживаемого сигнала, может быть как выше, так, и ниже давления, эквивалентного шуму. Измерения редко можно проводить в полосе 1 Гц. Обычно используются полосы шире 1 Гц, что приводит к повышению выходного среднеквадратич­ ного напряжения собственного шума и к маскировке сину­ соидального сигнала, имеющего такое же выходное средне­

позволяют обнаруживать и измерять сигналы с уровнями, лежащими намного ниже уровня шума. Измерение уровня

до тех пор пока начинают наблюдаться признаки перегрузки. Поскольку признаки перегрузки выбираются довольно произ­ вольно, то преобразователь может показать нелинейность, еще не будучи перегруженным. Например, магнитострикционным преобразователям органически присуща нелинейность, и они проявляют нелинейность чувствительности при гораздо более низком уровне сигнала, чем допустимый максимум (или точка перегрузки). Обратное утверждение тоже верно, т. е. преобра­ зователь может оставаться линейным, даже будучи перегружен­ ным. Например, перегрузка электродинамического преобразова­ теля обычно обусловлена нагревом обмотки катушки. Однако отношение «выкодное давление/входной ток» существенно не за­ висит от нагрева катушки; это значит, что электродинамический преобразователь с нагретой катушкой еще может быть линей­ ным. В некоторых работах линейность и динамический диапазон считаются синонимами. Это верно только тогда, когда в каче­ стве критерия перегрузки выбрана нелинейность и когда пре­ образователь линеен до уровня его собственных шумов. Послед­ нее условие редко выполняется, так как при низких уровнях сигнала, соизмеримых с уровнем звукового давления, эквива­ лентного шуму, они интерферируют.

Динамический диапазон не применяется в отношении излу­ чателей, так как минимальный сигнал, который может создать излучатель, не представляет практического интереса. Важно

именно ограничение диапазона изменений амплитуды сигнала сверху.

Некоторые преобразователи гидролокационных станций воз­ буждаются сигналами с уровнями, превышающими диапазон линейности. С возникающими нелинейными эффектами (иска­ жения и т. д.) мирятся, так как они менее важны, чем другие технические или экономические соображения. Испытания и гра­ дуировки можно проводить и с нелинейными преобразовате­ лями, но эти измерения имеют узкое применение. Формальные определения чувствительности по току в режиме излучения, приемной чувствительности в свободном поле, импеданса, к. п.д. и т. д. относятся только к Линейным преобразователям, и эти термины не имеют общепринятого значения при использовании нелинейных преобразователей. Когда измерения проводятся с нелинейными преобразователями, должно быть указано абсо­ лютное значение по меньшей мере одного из параметров (дав­ ление, напряжение или сила тока). Поскольку нелинейные иска­ жения присущи всем нелинейным системам, то необходимо ука­ зать также, относятся ли данные только к основной частоте или же к суммарному сигналу из основной частоты и гармоник. В общем случае условия измерений для нелинейных преобразо­ вателей должны быть подробно уточнены, а результаты изме­ рений нельзя экстраполировать на другие условия.

2.16. ИЗМЕРЕНИЯ ШУМА

Имеются два стандартных определения шума. Согласно пер­ вому из них, шум — это нежелательный звук. Так, например,, если сигнал одного гидролокатора интерферирует с сигналом второго, то сигнал первого является шумом для второго, даже если он представляет собой синусоидальные колебания. По­ меха от питания с промышленной частотой тоже является шу­ мом. Согласно второму определению, шум представляет собой не­ устойчивое, прерывистое или статистически случайное колебание.

Некоторые шумы могут быть неустойчивыми и прерывисты­ ми, но при этом все же привязанными к некоторым дискретным частотам. Такой шум имеет линейчатый спектр (этот термин заимствован из оптической спектроскопии). Есть шум, имеющий непрерывный спектр, т. е. его частотные составляющие распре­ делены непрерывно в некотором диапазоне частот.

При проведении измерений нас интересуют шумы в основ­ ном второго типа, и мы сосредоточим внимание на шумах с не­ прерывным спектром.

Можно предположить, что такие шумы являются наложе­ нием бесконечного числа синусоидальных сигналов с различны­ ми частотами и случайными амплитудами, распределенными

средняя амплитуда каждой частотной составляющей зависит от типа шума. Если средняя амплитуда не зависит от частоты, то шум называют белым по аналогии с белым светом.

Амплитуда окружающего морского шума уменьшается на 5 дБ на октаву при увеличении частоты. В большинстве прак­ тических случаев амплитуда слабо зависит от частоты. Полная звуковая энергия в конечной полосе частот распределена по бесконечному числу частот. Звуковая энергия одной частотной компоненты исчезающе мала, и шум нужно измерять в некото­ рой полосе частот.

Звуковая энергия в полосе частот зависит от ширины по­ лосы и от того, каким образом изменяются амплитуды частот­ ных составляющих. Если шум является практически белым, то энергия пропорциональна ширине полосы. Среднеквадратичное давление в полосе акустического шума не имеет универсальной связи со звуковой энергией. Однако в большинстве практиче­ ский случаев квадрат среднеквадратичного давления (или сред­ нее значение квадрата давления) пропорционален энергии и, следовательно, пропорционален также ширине полосы частот. Таким образом, акустический шум характеризуется среднеквад­ ратичным значением квадрата давления р2 и шириной полосы Af, в которой измеряется р2. Спектральный уровень давления, или PSL, определяется формулой

полосы должна быть достаточно узкой, чтобы проследить изме­ нения PSL в зависимости от' частоты, но не настолько узкой, чтобы случайная мгновенная амплитуда шума могла стать до­ статочно большой и не позволяла измерить р2 точно. Е1а рис. 2.56 показано, как выглядит шум на ленте самописца при записи белого шума через различные фильтры.

При электроакустических измерениях уровни шума измеря­ ются для двух целей. Во-первых, может быть интересен сам акустический шум, например шум корабля. Для измерения шума необходим специальный измерительный прибор; градуиров­ ка его рассматривается в разд. 2.16.1. Во-вторых, интересен соб­ ственный шум измерителя или измерительной системы, по-

скольку он ограничивает минимальный измеримый уровень сигнала или указывает нижний предел динамического диапа-

6000 Гц

зона. Это ограничение обусловливается давлением, эквивалент­ ным шуму, и рассматривается в разд. 2.16.2.

2.16.1. Градуировка измерителя шума

Измеритель шума можно отградуировать, помещая гид­ рофон в известное шумовое поле. Однако для определения характеристик шумового поля необходимо использовать другой образцовый прибор или измерительную установку. Иначе го­ воря, неизбежно возникает необходимость в одном из описан­ ных в этой главе методов абсолютной градуировки гидрофонов в непрерывном режиме. Допустим, что у пас имеется отградуи­ рованный гидрофон; рассмотрим шумоизмерительную систему,