книги из ГПНТБ / Боббер Р.Дж. Гидроакустические измерения

что почти вдвое меньше, чем критерий, даваемый неравенством (3.15). В случае двух одинаковых квадратов (у=1) из неравен­ ства (3.19) получается

Р ис . 3.22. Изменение относительного среднего давления свободного поля в месте расположения квадратного гидрофона, находящегося на расстоянии х от идентичного квадратного излучателя. Волновое число равно 1 см-1. Сто­ рона квадрата равна 5 см [10].

Критерии Ямады не очень жесткие, что иллюстрируется од­ ной из его кривых на рис. 3.22. Отношение ординат двух кривых в точке, определяемой неравенством (3.19), равно примерно 1,4, т. е. ошибка равна 3 дБ, что приблизительно соответствует точке Л = 1 и па2/кх= 1,0 на рис. 3.20. Чтобы ошибка не превы­ шала 1 дБ, нужно примерно удвоить расстояние, задаваемое неравенством (3.19). В этом случае неравенства (3.20) и (3.15) хорошо согласуются.

3.5.ОСНОВНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ПРИБОРЫ

Втипичных электроакустических измерениях измеряются сле­ дующие основные параметры: 1) ток i или напряжение е излу­ чателя, 2) выходное напряжение холостого хода гидрофона еос,

3)расстояние между излучателем и гидрофоном, 4) частота. Эти основные измерения можно осуществить с помощью уста­ новки, схематически показанной на рис. 3.23, и обычной линейки. Однако на приктике все оборудование, за исключением линейки, выглядит не так просто. Чтобы повысить звуковое давление,

создаваемое излучателем, до практически приемлемого значе­ ния, нужно использовать усилитель мощности. По сходным со­ ображениям может оказаться необходимым усилитель напряже­ ния в приемном тракте. Для получения лучшего отношения сигнал/шум в приемном тракте применяют фильтры. Ток излуча­ теля i измеряется по падению напряжения на последовательном сопротивлении, что позволяет свести все электрические измере­ ния к измерениям напряжения. При этом для измерения всех напряжений используется один и тот же вольтметр и ошибка

Рис. 3.23. Основное оборудование для электроакустических измерений. Ген. — генератор; А — амперметр; V — вольтметр; Изл. — излучатель; Гидр. — гидро­ фон. Вольтметр 2 имеет высокий входной импеданс.

ство формул градуировки входят отношения напряжений или от­ ношения напряжение/сила тока. Возбуждающим генератором обычно служит широкополосный генератор или синтезатор ча­ стоты. В случае использования генератора для контроля частоты необходим репер частоты или частотомер в зависи­ мости от качества и стоимости генератора. Типичная измеритель­ ная установка, учитывающая эти дополнительные узлы, показана на рис. 3.24. Несмотря на сложность этой установки, с ее по­ мощью можно проводить градуировки только по точкам.

в разд. 3.7 и 3.8.

Уровни сигналов при градуировках обычно малы. Диапазоны этих уровней, определенные на основе типичных значений чувст-

1 В/(дин/см2)] и чувствительности излучателей [от 40 до 80 дБ относительно 1 (дин/см2)/А] таковы:

Рис. 3.24. Установка для градуировки электроакустических преобразователей по точкам.

Уровни токов и напряжений при измерении импедансов в электрических мостовых схемах еще .меньше. Если преобра­ зователь линеен, то уровень сигнала не играет роли, при усло­ вии что он превышает уровни окружающих акустических и элект­ рических шумов и меньше уровня перегрузки приборов.

Если преобразователь нелинеен или на него воздействует сигнал, уровень которого превышает диапазон его линейности, то определения чувствительностей, импеданса и т. д. теряют смысл. Измерение сигналов большой интенсивности является специальной проблемой и обсуждается в разд. 3.9.

Электрические измерения, которых требуют формулы гра­ дуировки (2.1), (2.3), (2.6), (2.19) и т. д„ нужно проводить не менее чем на двух расстояниях. Изменение расстояния легко осу­ ществить с помощью установки с подвижной тележкой, показан­ ной на рис. 3.8. Измерение на двух расстояниях позволяет про­ верять правильность условий измерений. Эти расстояния выби­ раются так, чтобы сигнал уменьшался на некоторое удобное число децибел. Например, если изменить расстояние с 30 см до

так же 201g(5/4)= 2 дБ и 20 lg (2/1 ) = 6 дБ. Если уменьшение сиг­ нала с расстоянием соответствует теории, то это значит, что вы­ полнены следующие условия измерений:

1)измерительное расстояние выбрано правильно;

2)акустические центры выбраны правильно;

3)измерительная система и среда стабильны;

4)приемная система линейна;

5)преобразователи подвешены правильно;

6)отражений от границ и электрических наводок нет.

Если нарушается закон затухания с расстоянием, то это значит, что одно из этих условий, вероятно, не выполнено. Не исклю­ чено, что на некоторой частоте ошибки разных типов могут скомпенсировать друг друга. Тогда проверка закона затухания с расстоянием может привести к ошибочному заключению. Но вероятность взаимного уничтожения ошибок на нескольких ча­ стотах или в диапазоне частот пренебрежимо мала.

3.6. ПОТЕРИ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ПЕРЕДАЧЕ

При градуировке гидрофона с предусилителем или с другим сопутствующим устройством выходное напряжение можно изме­ рять в различных точках. Возникает вопрос: где нужно сделать клеммы, на которых должно измеряться напряжение холостого хода? Если выбрать их на конце кабеля, то кабель и предусили­ тель становятся частью гидрофона и влияют на его чувствитель­ ность. Если же клеммы выбраны максимально близко к чувстви­ тельному элементу (например, на электродах высокоимпедансного пьезоэлектрического элемента), тогда нужно дополнительно измерять потери напряжения при передаче его от гидрофона.

Потери напряжения при передаче определяются как отно­ шение напряжения холостого хода чувствительного элемента гидрофона (обычно пьезоэлектрического элемента) к напряже­ нию холостого хода на выходе предусилителя и кабеля или дру­ гого сопутствующего устройства. Отметим, что при таком опре­ делении потери выражаются числом, большим единицы, или положительным числом децибел.

Теоретически определение и измерение потерь напряжения при передаче выглядят просто. На практике же теоретически предполагаемые условия и сами измерения подвержены влия­ нию тонких ошибок нескольких типов. Это затрудняет измерения и в некоторых случаях делает их невозможными. Хотя нас в основном интересует гидрофон с предусилителем, теория и практические методы, рассматриваемые здесь, приложимы к лю­ бому пассивному гидрофону с предварительным усилителем в системе измерения напряжения.

Потери напряжения при передаче обусловлены суммарным действием двух эффектов. Один из них — усиление или ослаб­ ление самого предусилителя. Другой состоит в ослаблении на­ пряжения, обусловленном тем, что входной импеданс предуси­ лителя конечен и поэтому напряжение на входе предусилителя не является истинным напряжением холостого хода. На рис. 3.25 приведена схема гидрофона с предусилителем. Пьезоэлектриче­ ский преобразователь представлен в соответствии с теоремой Тевенина генератором с напряжением холостого хода еос и после­ довательным внутренним импедансом Zg. Входной импеданс уси­ лителя обозначен Za. Входное напряжение усилителя еа всегда

Рис. 3.25. Цепь гидрофона, представленная генератором Тевенина и предуси­ лителем. Паразитные импедансы показаны штриховыми линиями.

будет меньше еос, если не выполнено условие Za^>Zg. Поскольку величина Zg часто достигает многих мегом, то условие Za'^>Zg обычно не выполняется, и напряжение еос ослабляется до попа­ дания на усилитель.

Потери напряжения при передаче, по определению, выра­ жаются отношением еос/е0. Они измеряются путем введения ка­ либровочного сигнала последовательно как с пьезоэлектриче­ ским преобразователем, так и с входной цепью предусилителя, как показано на рис. 3.25*1 Калибровочное сопротивление вы­ бирается малым (обычно 10 Ом), чтобы оно не ослабляло за­ метно напряжения еос- Калибровочное падение напряжения е* на этом сопротивлении практически равно напряжению холо­ стого хода, т. е. можно считать, что ег= е 0с. Это значит,что от­ ношения вход/выход еос/ео и ег-/е0 одинаковы. Напряжение б* измеряется на втором внешнем 10-омном сопротивлении, в ре­ зультате чего получается значение е\. Эта процедура пригодна,

если импеданс шунтирующей емкости кабеля, показанной на

*> В отечественной практике этот способ называется «методом замеще­ ния». — Прим. ред.

158 Гл. III. Основы измерений в свободном поле

производится градуировка большого числа преобразователей. Поэтому в той или иной степени применяют различные системы автоматизации измерений, чтобы уменьшить время и трудо­ емкость многократных измерений по точкам на разных часто­ тах. Все автоматические системы, как бы сложны они ни были, являются разновидностями основной схемы измерительной уста­ новки, показанной на рис. 3.23 и 3.24.

Многие детали автоматической системы определяются инди­ видуальным вкусом экспериментатора, привычкой, стоимостью и легкостью приобретения конкретных приборов и устройств. Од­ нако различные системы имеют общие черты (рис. 3.26). Узлы установки, показанные сплошными линиями, составляют основ­ ную систему для измерений и градуировки преобразователей в непрерывном режиме. Пунктирными прямоугольниками обо­ значены добавочные блоки, присутствие которых необязательно.

Основная система позволяет автоматически решать три важ­ ные задачи: 1) непрерывное изменение частоты, 2) непрерывную запись выходного сигнала гидрофона и 3) фильтрацию сигнала при непрерывно изменяющейся частоте.

Рассмотрим сначала систему, показанную на рис. 3.26 сплош­ ными линиями. Сигнал возбуждается генератором переменной частоты. Частотный диапазон генератора обычно перекрывает несколько декад, и часто для автоматического изменения ча­ стоты используется мотор. Частотная калибровка у широкопо­ лосных генераторов обычно не очень точная, и поэтому для конт­ роля и измерения выходной частоты применяется частотомер или другое устройство.

Следующей ступенью является усилитель напряжения, слу­ жащий для управления уровнем сигнала с генератора с целью создания достаточного уровня входного напряжения для по­ следующих ступеней установки.

Усилитель мощности дает электрическую, а в конечном итоге и акустическую мощность, необходимую для получения измери­ мого уровня сигнала на выходе гидрофона.

Для согласования выходного импеданса усилителя мощности с излучателем и оптимальной передачи мощности используют согласующие схемы, которые часто представляют собой транс­ форматоры с многими отводами. Однако иногда более важным является поддержание постоянства тока или напряжения. Тогда можно осуществить умышленное рассогласование. Например, всю схему, питающую излучатель, можно сделать так, что она будет вести себя примерно как генератор постоянного напряже­ ния с малым импедансом или как генератор тока с высоким им­ педансом. Применяют и другие типы схем, служащие, например, для получения токов или напряжений, меняющихся с частотой по определенному закону.

Рис. 3.26. Типичная установка для автоматической градуировки преобразова­ телей. Основная система, работающая в непрерывном режиме, показана сплош­ ными линиями. Пунктиром показаны дополнительные блоки, обеспечивающие возможность работы установки в импульсном режиме, а также контроль и поддержание постоянства тока излучателя или напряжения на нем.

160 Гл. III. Основы измерений в свободном поле

Согласование или рассогласование импедансов применяется между всеми узлами установки для получения оптимальных ха­ рактеристик. Для улучшения или для достижения согласования применяются согласующие трансформаторы или другие устрой­ ства. Для уменьшения вариаций импеданса, а также для ослаб­ ления уровня сигнала используют аттенюаторы. Соотношение импедансов особенно важно на входе и выходе усилителя, если используется калибровка его усиления.

При некоторых градуировках нужно измерять входной ток излучателя или напряжение на нем. Эти величины в любом случае нужно контролировать, чтобы обеспечить постоянство условий градуировки. Измерительные цепи для определения е и i должны оказывать пренебрежимо малое влияние на цепь уси­ литель мощности — излучатель. Цепь для измерения е обычна имеет высокий импеданс и соединяется параллельно с излуча­ телем; цепь для измерения i обычно имеет низкий импеданс и соединяется с излучателем последовательно.

В любом случае измеряемые сигналы е или i подаются на ту же приемную или записывающую систему, куда подается и вы­ ходное напряжение гидрофона и где сигнал подвергается тем же самым операциям смешивания, фильтрации и записи. Из формул градуировки, приведенных в разд. 3.15, видно, что нужно измерить отношение (или разность в децибелах) значения на­ пряжения на гидрофоне к значению тока излучателя. Конечно, если оба измеряемых сигнала—-ток i и напряжение е — одина­ ковым образом усиливаются, ослабляются, смешиваются, фильт­ руются, записываются и т. д., то отношение этих сигналов не меняется. Системы для измерения е и i должны быть отградуи­ рованы, но вся система в целом не нуждается в градуировке. Конечно, она должна быть линейной и стабильной, и для про­ верки этого условия проводят специальные электрические из­ мерения. Эти измерения являются контрольными.

Измерение е производится непосредственно; типичная схема показана на рис. 3.27, а. Измерение тока i представляет более сложную задачу, так как схема для измерения тока вклю­ чается последовательно с излучателем и через нее может про­ текать весьма большой ток. Если излучатель включен несим­ метрично, то значительные трудности представляет выбор пра­ вильных условий заземления. На рис. 3.27, б показана старая, но типичная схема измерения тока излучателя по падению напряжения на малом последовательном сопротивлении. На рис. 3.27, в показана лучшая схема, в которой одна жила ка­ беля, питающего излучатель, используется как одновитковая первичная обмотка трансформатора. Вторичной обмоткой слу­ жит тороидальная катушка, окружающая эту жилу.