книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения

торые подается сжатый воздух. Пузырьки воздуха поднимаются на поверхность, осуществляя при этом вертикальную циркуля­ цию. Такая циркуляция, проводимая каждую ночь в течение нескольких часов, поддерживает все озеро диаметром 2,5 км и глубиной 9 м примерно в изотермическом состоянии. Кроме того, вертикальная циркуляция препятствует образованию пу­ зырьков метана анаэробными бактериями на дне.

Чистота воды полезна, но не обязательна. Чистоту искус­ ственных прудов и резервуаров можно поддерживать с помощью циркуляции и фильтрации. В больших естественных водоемах можно использовать тонкие пластиковые перегородки, какие применяются в глубоких плавательных бассейнах. Перегородка подвешивается в воде и образует внутри большого естественного озера или пруда отдельный закрытый объем. Пластмасса акустически прозрачна, что обеспечивает сохранение характе­ ристик свободного поля всего естественного водоема. В то же

время ограниченный объем воды для поддержания его чистоты можно фильтровать.

На рис. 3.2—3.7 показаны полигоны на естественных водое­ мах, которые используются и для военно-морских целей и для работ,^выполняемых по контрактам. Полигон TRANSDEC, пока­ занный на рис. 3.7, представляет собой искусственный пруд, но его размеры столь велики, что он больше похож на открытые

естественные водоемы, чем на закрытый искусственный резер­ вуар.

3.3. ПОДГОТОВКА И РАЗМЕЩЕНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Преобразователи, подготавливаемые к погружению, должны быть тщательно очищены, чтобы они хорошо смачивались во­ дой. Очень важно, чтобы из трещин, щелей, углов и т. д. на преобразователе был полностью удален воздух. Важно также, чтобы температура преобразователя стала равна температуре воды и стабилизировалась в объеме прибора. Если преобразо­ ватель, лежавший на солнце или нагретый по какой-либо другой причине, опустить в холодную воду, то на его поверхности мо­ гут собраться пузырьки воздуха. Теплый преобразователь нагре­ вает соседние слои воды. Если вода уже насыщена воздухом, то он выходит из воды и его пузырьки пристают к преобразова­ телю, так как растворимость воздуха в теплой воде меньше, чем в холодной. Различие температуры отдельных участков преобра­ зователя ^может привести к возникновению напряжений и де­ формаций. Поэтому перед проведением измерений преобразова­ тель следует держать в воде в течение нескольких часов.

Крепление, с помощью которого подвешивается или поддер­ живается преобразователь, должно быть, насколько это воз­ можно, акустически «невидимым». Практически это означает, что его конструкция должна быть настолько ажурной и легкой, насколько позволяют дополнительные требования ее механиче­ ской прочности и жесткости. Предпочтительнее применять ре­ шетчатые конструкции, а не цельные большие балки. Трубы и

Шарнирное соединение

Р и с. 3.8. Типичная схема крепления небольших преобразователей.

полые стержни должны заполняться водой. Крепление должно располагаться по возможности дальше от диафрагм или чувст­ вительных элементов преобразователей и от участка распростра­ нения прямого акустического сигнала к приемнику. Нужно по­ заботиться и о том, чтобы те части преобразователя, которые со­ вершают колебания, — независимо от того, желательны онц или нет,— при работе не прижимались и не демпфировались креп­ лением. На рис. 3.8 показана типичная система крепления для установки небольших преобразователей.

Используются как жесткие, так и свободно висящие крепле­ ния. В креплениях первого типа преобразователь жестко

136 Гл. III. Основы измерений в свободном поле

соединяется с поддерживающей его платформой. В свободно ви­ сящих креплениях используется шарнирная подвеска, так что преобразователь свободно свисает с платформы. Крепления вто­ рого типа предпочтительно использовать для симметричных пре­ образователей, являющихся сбалансированной нагрузкой, а также при подвеске преобразователей на очень большую глубину.

Ось вращения

Рис. 3.9. Жесткое крепление для вращения несбалансированной нагрузки.

Жесткие крепления используют тогда, когда трудно избежать несбалансированной нагрузки. Например, если преобразователь имеет цилиндрический корпус, а его диафрагма или акустический центр находится на торце, то при снятии диаграммы направлен­ ности преобразователь нужно вращать вокруг оси, проходящей через этот торец, как показано на рис. 3.9. Конечно, и в этом случае можно применить противовес и использовать свободно висящее крепление, но осуществить это трудно, так как точную балансировку придется производить в воде, где сказывается действие выталкивающей силы. В очень тяжелых несбаланси­ рованных конструкциях может понадобиться противовес даже при жестком креплении (рис. 3.10). В случае жесткой конструк­ ции противовес не обязательно должен точно уравновешивать преобразователь. Противовес следует располагать вдали от пре­ образователя.

В большинстве устройств преобразователи подвешиваются на тележках, которые можно перемещать по рельсам, уложенным на платформе. Такое устройство позволяет легко изменять рас­ стояние между излучателем и гидрофоном.

К расположению преобразователей обычно предъявляются че­ тыре основных требования: 1) излучатель и гидрофон должны

Рис. 3.10. Жесткое крепление с противовесом для тяжелой несбалансирован­ ной нагрузки. Необозначенные детали те же, что на рис. 3.9.

находиться на одной глубине; 2) расстояние между излучате­ лем и гидрофоном должно быть известно; 3) должно быть из­ вестно направление акустической оси каждого преобразователя, 4) если преобразователи поворачивают, то должны быть из­ вестны оси вращения.

Все расстояния определяются относительно акустического центра преобразователя. Выбор акустического центра может быть произвольным: за него можно принять любую точку на самом преобразователе или даже вне его. Однако если выбран­ ный акустический центр не совпадает с действительным акусти­ ческим центром, т. е. воображаемой точкой, из которой исходят

излучаемые звуковые волны, то гидрофон должен располагаться настолько далеко от излучателя, чтобы погрешностью несовмещения выбранного и реального центров можно было пренебречь. Это значит, что расстояние излучатель—гидрофон должно в 100 или более раз превышать расстояние между действительным и выбранным акустическими центрами. Конечно, на практике акустический центр выбирают как можно ближе к истинному. Положение истинного акустического центра точно известно только для некоторых симметричных излучателей вроде сфер и цилиндров, у которых акустический центр совпадает с центром

Расположение гидрофона

у

Рис. 3.11. Проверка закона ослабления давления с расстоянием для нахожде­ ния истинного акустического центра.

Вычисленное ослабление с расстоянием =20 Ig (d2Idx) ;

Измеренное ослабление с расстоянием =20 lg d2 + Ad dx + Дd

dx + Ad

/ — предполагаемый акустический центр, / / — истинный акустический центр..

геометрической симметрии. За акустический центр поршня при­ нимают центр его передней поверхности. Если преобразователь имеет какую-либо необычную конфигурацию, то положение акустического центра может не быть очевидным. Тогда для его< определения нужно измерить зависимость уменьшения давления от расстояния. Пусть определены значения величины давления на двух расстояниях d\ и d2. Если предполагаемое положение, акустического центра совпадает с его действительным положе­ нием, то отношение измеренных давлений должно подчиняться закону обратной пропорциональности и разность уровней дав­ ления должна составлять 20 lg (d2/c?i). Если измеренная раз­ ность уровней ниже вычисленной, то это значит, что предполага­ емый центр смещен вперед. Если разность больше вычисленной . то предполагаемый центр смещен назад. Этот опыт иллюстри­ рует рис. 3.11. Очевидно, что в случае, когда и dx и d2 велики, ошибка, обусловленная Ad, будет мала. Конечно, в этом опыте,

Можно достигнуть высокой точности фиксированной уста­ новки преобразователей. Например, легко определить положе­

минимального расстояния, или близости, зависят как от размера

иформы обоих преобразователей, так и от требуемой точности

ивида измерений.

Критерий минимального расстояния для одиночного излуча­ теля вытекает из требования, содержащегося в определении чувствительности по току или по напряжению: давление должно соответствовать сферически расходящейся волне. Опорное рас­ стояние принимается равным 1 м от излучателя. Если на рас­ стоянии 1 м волна еще не является сферически расходящейся, то нужно измерить звуковое давление на большем расстоянии и экстраполировать его назад к 1 м, предполагая, что давление изменяется обратно пропорционально расстоянию.

Критерий минимального расстояния для гидрофона вытекает из определения чувствительности по напряжению в свободном поле — при этом входное давление свободного поля обусловлено давлением в плоской бегущей волне. Плоские волны в свобод­ ном поле можно получить лишь приближенно, так что практи­ чески требуется, чтобы гидрофон пересекал участок сферической волны, который неотличим от волны плоской. Иными словами, этот участок должен быть очень малым или радиус кривизны волны должен быть очень большим.

Вопрос о выборе достаточного расстояния между излучате­ лем и гидрофоном можно решить экспериментально. Для этого нужно измерить выходное напряжение гидрофона на двух или более расстояниях при постоянном токе излучателя. Если напря­ жение изменяется обратно пропорционально расстоянию, то кри­ терий минимального расстояния выполняется. Но если такая пропорциональность не обнаружена, то это еще не означает, что вопрос решен отрицательно, так как нарушение закона об­ ратной пропорциональности может быть связано с другими причинами, а не с влиянием близости. В этих случаях, а также при планировании и проектировании измерений критерии ми­ нимального расстояния и понимание эффектов близости весьма полезны.

В литературе [4—7] приводятся критерии минимального рас­ стояния для преобразователей простых форм типа поршней и линий. Эти критерии применимы к одиночным излучателям в том смысле, что они определяют расстояние, на котором кон­ чается зона Френеля, или ближнее поле, и начинается зона Фраунгофера, или дальнее поле. К системе излучатель—гидро­ фон эти критерии пригодны лишь в том случае, если гидрофон можно считать точечным. Если ни излучатель, ни гидрофон нельзя считать точечными, то нужно устанавливать критерий для конкретных комбинаций преобразователей. Этот критерий не является просто суммой критериев для каждого из двух пре­ образователей. Хотя критерий минимального расстояния обычно

устанавливает расстояние, на котором начинается сферически расходящееся дальнее поле излучателя, его можно применять также и для преобразователя, используемого в качестве гидро­ фона. Например, из теории взаимности очевидно, что критерий близости для комбинации большого поршня и маленького то­ чечного преобразователя должен быть тем же самым независимо от того, что из них служит излучателем, а что гидрофоном.

Комбинация большого круглого поршня и малого точечного преобразователя является простым и удобным примером для выяснения смысла критерия минимального расстояния.

Рис. 3.13. Относительное изменение давления р в зависимости от расстояния х на оси круглого поршневого излучателя радиуса а для звука с длиной вол­ ны X. Так же изменяется давление, усредненное по площади круглого порш­ невого гидрофона радиуса а в свободном поле точечного излучателя, распо­ ложенного на расстоянии х по оси гидрофона. Шкала х логарифмическая.

Если большой поршень служит излучателем, то звуковое давление на оси поршня, измеренное точечным гидрофоном, из­ меняется, как показано на рис. 3.13. Штриховая кривая, ил­ люстрирующая закон обратной пропорциональности давления дальнего поля, очень плавно сливается со сплошной кривой. Это показывает, что между ближним и дальним полями нет резкой границы. Поэтому не удивительно, что критерии мини­ мального расстояния, приводимые разными авторами, не всегда согласуются между собой.

Если бы большой поршень был гидрофоном, а точечный пре­ образователь — излучателем, расположенным на оси поршня, то волны, падающие на поршень, были бы больше похожи на сферические, чем на плоские. Амплитуда давления на краю